淺析超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

摘 要：本文研究了一種基于單片機(jī)技術(shù)的超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)是以STC89C51單片機(jī)為中心結(jié)構(gòu)，結(jié)合超聲波傳感器，經(jīng)MCU處理運(yùn)算，當(dāng)測(cè)得距離小于設(shè)定值時(shí)，STC89C51發(fā)出指令控制蜂鳴器報(bào)警，并且報(bào)警頻率可以隨著距離變化而變化，當(dāng)距離越小，報(bào)警頻率越快。

關(guān)鍵詞：超聲波;傳感器;STC89C51

采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波檢測(cè)距離，數(shù)據(jù)的顯示以及各項(xiàng)功能的設(shè)置。本系統(tǒng)通過利用超聲波傳輸?shù)木嚯x與時(shí)間，并采用51單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，能精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離，用戶還可以通過按鍵設(shè)置報(bào)警距離，如果測(cè)量的距離低于設(shè)置的報(bào)警，則通過蜂鳴器發(fā)出聲音并提醒用戶超出設(shè)置范圍。

1.論文的選題背景和研究意義

超聲波技術(shù)是一種非接觸式測(cè)量，它更耐潮濕，灰塵，高溫，腐蝕性氣體和其他惡劣環(huán)境。它具有更少的維護(hù)，無污染，高可靠性和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于造紙，采礦，電廠，化工，水處理廠，污水處理廠，農(nóng)業(yè)用水，環(huán)境試驗(yàn)，食品等行業(yè)。在線校準(zhǔn)精度可以在不同的環(huán)境下實(shí)施，可以用來直接控制水，酒，糖，飲料等的水平，不同的是直接液位各級(jí)液位，物料您可以查看和設(shè)置關(guān)卡的高度。所以，在特殊空氣環(huán)境中超聲波距離的測(cè)量具有廣泛的應(yīng)用。

2.課題主要研究

“超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)”設(shè)計(jì)包括51單片機(jī)最小微計(jì)算系統(tǒng)，超聲波模塊，驅(qū)動(dòng)顯示電路，報(bào)警電路和按鍵電路。范圍由HC-SR04超聲波模塊測(cè)量，數(shù)據(jù)分析和處理，傳輸?shù)?1微型計(jì)算機(jī)芯片，然后通過LED數(shù)碼管顯示。報(bào)警距離可通過按鍵調(diào)節(jié)，電源部分采用穩(wěn)壓直流5V電源。

2.1方案比較

2.1.1激光測(cè)量距離

激光測(cè)量距離，一般有兩種方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)于距離的測(cè)量，分別是脈沖和相位測(cè)量原理。脈沖測(cè)量距離的過程：首先是由測(cè)量裝置發(fā)出一束激光，然后再由測(cè)量裝置進(jìn)行反射，直到測(cè)量裝置接收為止，與此同時(shí)測(cè)量裝置還會(huì)記錄這束激光來回所用時(shí)間，以及光速，即這就是有關(guān)于脈沖原理的距離測(cè)量。相位法測(cè)量距離的過程：激光束的幅度由無線電頻帶的頻率調(diào)制，測(cè)量進(jìn)出線的調(diào)制光引起的相位延遲，然后由相位延遲表示的距離是調(diào)制光它根據(jù)波長(zhǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。間接方法用于確定光線通過線路所需的時(shí)間。

2.1.2超聲波測(cè)量距離

超聲波測(cè)量距離的基本原理是利用空氣中已知超聲波的色散傳播速度來進(jìn)行聲波測(cè)量，發(fā)射之后的超聲波遇到障礙物會(huì)立即反射回來的時(shí)間，然后根據(jù)聲波的發(fā)射以及接收到的時(shí)間差能夠準(zhǔn)確無誤的計(jì)算出聲波發(fā)出的位置到障礙物之間的準(zhǔn)確地址，這也就相當(dāng)于雷達(dá)原理，在超聲波發(fā)射范圍內(nèi)，如果超聲波在某個(gè)地方進(jìn)行超聲波發(fā)射，同時(shí)在發(fā)射的那一瞬間就已經(jīng)開始記錄聲波發(fā)射的時(shí)間，在聲波傳輸過程中，如果傳輸?shù)穆暡ㄔ谥型居龅秸系K物會(huì)立即反射回來，然后如果超聲波接收器能夠接收到反射回來的聲波，此刻就已經(jīng)停止記錄時(shí)間。

對(duì)于激光和超聲波測(cè)量距離這兩種方案來說，顯而易見我會(huì)采用方案二，此電路原理比較簡(jiǎn)單，電路設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單，所以我會(huì)采用方案二。

2.2電路總體方案

本設(shè)計(jì)由硬件和軟件設(shè)計(jì)共同實(shí)現(xiàn)。該模塊被分為采集數(shù)據(jù)、控制按鍵、顯示四位數(shù)碼管、蜂鳴器報(bào)警四個(gè)主要模塊。基于單片機(jī)的超聲波模塊為本設(shè)計(jì)核心部分，基于此，本設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)，所以，本設(shè)計(jì)主控芯片為用STC89C51單片機(jī)，當(dāng)所設(shè)置的報(bào)警值高于測(cè)量的距離值，單片機(jī)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及與設(shè)置的距離值進(jìn)行比較，繼而能夠控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總方案框圖如圖1所示：

2.3超聲波測(cè)距模塊的主要性能

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊對(duì)障礙物的測(cè)量距離范圍在2cm-400cm，可精確到3mm。該模塊的基本工作原理如下：

（1）在此模塊中，一般會(huì)用到IO端口TRIG進(jìn)行觸發(fā)測(cè)量距離，但是該電路要提供大于10us的高電平信號(hào);

（2）8個(gè)40khz方波可以自己發(fā)送出來，可檢測(cè)信號(hào)反饋情況;

本模塊主要特點(diǎn)如下：

（1）體積超小，相當(dāng)于兩個(gè)發(fā)射端，接收頭的面積已經(jīng)縮小很多;

（2）沒有盲區(qū)（10mm以內(nèi)的較大三角形誤差，簡(jiǎn)單可以視為0）;

（3）響應(yīng)速度快，測(cè)量周期10ms，不易丟失高速目標(biāo);

（4）發(fā)射端必須靠近接收端并且發(fā)射、接收端要與待測(cè)物體保持在同一水平上;

（5）該模塊上有LED燈，其目的是為了能夠更好地進(jìn)行測(cè)試以及觀察結(jié)果。 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.4 HC-SR04超聲波測(cè)距原理

超聲波技術(shù)測(cè)量距離就是利用超聲波發(fā)射到接收需要的時(shí)間T而實(shí)現(xiàn)，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度是C，從超聲波發(fā)出的位置到障礙物的距離D，由此可知障礙物的距離，計(jì)算距離的公式：D =CT / 2。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3.系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

主程序的功能是由超聲波檢測(cè)模塊檢測(cè)超聲波到障礙物的距離，然后將檢測(cè)到的距離值傳入單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理后，并且與之前設(shè)置的報(bào)警值進(jìn)行比較判斷，如果測(cè)量的距離小于預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值時(shí)， STC89C51單片機(jī)就會(huì)發(fā)出指令控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并且報(bào)警頻率可以隨著距離變化而變化，當(dāng)距離越小，報(bào)警頻率越快。主程序的流程圖如圖3所示。

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作者簡(jiǎn)介：

張文有（1967—），女，漢族，甘肅蘭州，副教授，蘭州工業(yè)學(xué)院，研究方向：電力工程及自動(dòng)化。