一種超聲波測距系統的設計方法

郭星辰

摘要：超聲波傳感技術目前在電子測量領域應用越來越普及。基于渡越時間檢測原理，使用ATMEL公司的AT89S51單片機，提出一種超聲波測距系統的設計方法，主要分析了測距原理，給出了超聲波發射電路、接收電路等硬件電路設計方法，以及詳細闡述了超聲波發射和接收、數據處理等軟件設計方法。通過對測距系統進行性能分析，表明超聲波測距系統工作穩定、性能良好，同時具有低成本、高精度、微型化等優點，具有一定實際應用價值。

關鍵詞：超聲波;測距;AT89S51單片機;渡越時間檢測

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0035-02

隨著電子測量技術的更新迭代，利用超聲波檢測技術進行距離測量得到普遍應用。超聲波指向性比較強，在空氣中傳播的距離較遠，而且能量消耗緩慢、測量穩定性好、測量精度高，同時易于控制與計算，因而適合進行距離測量[1]。基于以上特點，超聲波被廣泛用于距離測量、物體檢測、風速測量等各個領域。

為了更加簡單有效地實現超聲波測距功能，在性能分析基礎上，提出了一種基于ATMEL公司的AT89S51單片機的測距系統設計方法，具有三位數碼管顯示、設置閾值、超限報警等功能。經測試，該系統測量準確，性能良好。

1 測距原理

渡越時間檢測是一種常用于超聲波距離測量的檢測方法。通過超聲波換能器完成超聲波的發射與接收。超聲波發射換能器發射超聲波信號，同時立即啟動定時，超聲波遇到障礙物反射回來（稱之為回波信號），當超聲波接收換能器接收到回波信號時，立即停止定時。假設，超聲波傳播時間為t，傳播速度為v，測距系統與障礙物之間的距離為s，則有：s=1/2vt。

其中，常溫下超聲波在空氣中的傳播速度v為340m/s，其傳播速度v易受溫度、濕度等因素影響。為了提高測量精確度，可增加溫度傳感電路部分，以便對傳播速度v進行補償。

2 系統總體設計

測距系統主要由控制系統電路、數碼管顯示電路、閾值報警電路、超聲波發射電路與接收電路以及電源電路等部分組成。控制系統采用ATMEL公司的AT89S51單片機;超聲波發射電路用于驅動換能器發射信號，超聲波接收電路主要用于驅動換能器接收信號;顯示模塊采用數碼管顯示，用于顯示測量距離以及系統狀態，顯示位數為三位;報警電路采用蜂鳴器報警方式，超過測量最大距離或最小距離，系統均會報警提醒;電源電路提供AC6～9V交流供電或USB直流供電兩種方式。系統總統設計框圖如圖1所示。

3 系統硬件設計

3.1 測距控制系統

系統采用AT89S51型號單片機，該單片機是一種比較典型的51內核單片機，并且使用廣泛。為獲得穩定的時鐘頻率，系統使用12MHz頻率的晶振，保證測量時間的準確性。單片機P2.7管腳輸出所需的40kHz的方波信號，P3.5管腳主要用于接收超聲波回波信號。兩個按鍵主要用于設定測距報警值。測距控制系統電路如圖2所示。

3.2 超聲波發射電路[2-4]

超聲波發射電路設計簡單、實用，主要由T40超聲波換能器、超聲波脈沖變壓器、9012三極管等部分構成。單片機輸出的方波信號經9012三極管送到超聲波換能器的一極，驅動其發射超聲波信號。通過提高發射電路的功率，從而提高超聲波傳輸距離。超聲波發射電路如圖3所示。

3.3 超聲波接收電路[2-4]

超聲波接收電路由放大電路、檢波電路、比較整形電路組成。與超聲波接收換能器一極相連的單片機P3.5管腳實時監測回波信號。由于超聲波在空氣中傳播時產生的衰減，導致反射回來的超聲波信號非常微弱，所以需要通過接收電路將信號進行放大、整形。超聲波接收電路如圖4所示。

3.4 顯示電路

顯示電路由三位共陽極LED數碼管組成，段碼顯示由單片機P2口驅動，位碼信號通過P3口中的3個管腳控制，利用PNP三極管進行驅動。

3.5 電源電路

系統正常工作時，工作電流約為30～45mA，為保證系統可靠性，供電方式主要為交流AC6～9V。為調試方便，采用另外一種供電方式，由電腦USB口直接供電。交流電經過整流電路、濾波電路后形成直流電。為保證測距系統用電，電源電路中由三端穩壓集成電路進行穩壓，而后再經電容濾波后輸出5V直流電，保證電源供電質量。

3.6 報警電路

測距系統的報警電路主要提供兩種報警方式。鑒于篇幅限制，報警電路圖不作體現，僅從功能方面進行闡述。

第一種報警方式為單片機P3.1管腳驅動繼電器，再由繼電器控制報警信號。當測量值低于設定值時進行報警，此時繼電器吸合，蜂鳴器鳴響;當測量值高于設定值時，停止報警，此時繼電器斷開，蜂鳴器停止鳴響。第二種報警方式為單片機P0.2口驅動報警信號，當測量值低于設定值時蜂鳴器鳴響報警，當測量值高于設定值時蜂鳴器停止鳴響報警。

4 系統軟件設計

采用Keil uVision4開發環境，使用C語言編寫應用程序，主要包括超聲波發射子程序、超聲波接收子程序、定時器初始化子程序、數碼管顯示子程序、蜂鳴器報警子程序等。超聲波測距系統工作流程圖如圖5所示。鑒于篇幅限制，該文主要對超聲波發射和接收部分進行介紹。

系統使用定時器T0及定時器T1。定時器T0計數，定時器T1定時。進入主程序后，進行定時測距判斷，當測距標志位為1時，測量一次。通過多次測量取平均值，測距間隔中，主要循環顯示測量結果。

由于超聲波測距系統晶振頻率為12MHz，所以控制系統只能產生半周期為12?s或13?s的方波信號，相對應的頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。而超聲波換能器發出的信號需要是40kHz方波信號，經綜合考慮，在編程時選用38.46kHz的方波信號，以此驅動超聲波換能器工作。

系統發射完超聲波信號后，立即開啟定時器T0計時。因發射超聲波信號后，可能會被接收換能器接收并觸發，為防止此種情況發生，系統需要延時約1.5ms～2ms后再啟動回波檢測程序（這就是盲區值，即最小測量距離）。當接收管腳P3.5電平信號由高電平跳變為低電平時，此時立即停止定時器T0，該段時間即為超聲波渡越時間。將測量到的渡越時間以及超聲波傳播速度代入測距公式，即可獲得被測物體與測距系統之間的距離。

5 測試結果分析

從測試結果來看，該測距系統測距范圍為40cm～700cm，符合設計要求。不過距離及精度方面還存在以下問題：一是測距盲區值較大，主要原因是為增大測量距離，提高了超聲波的發射功率，這會加大超聲波余振時間，在設計中需要綜合考慮功率及測量盲區因素;二是測量精度需要進一步提高，可以通過增加溫度補償模塊對測量結果進行修正。

6 結束語

該文分析了一種超聲波測距的設計方法，系統介紹了渡越時間檢測方法、軟硬件設計方法以及性能測試情況，指出了產生測量距離以及精度問題的原因。該超聲波測距系統具有開發簡單、易于實現、性能可靠等優點，具有一定的實用價值。

參考文獻：

[1] 陳蔚.超聲波測距儀的設計和實現[J].數字技術與應用，2018，36（5）：182-183.

[2] 王書俠，王國新，劉智超.一種簡易超聲波測距裝置的設計與實現[J].儀表技術，2021（3）：23-24，66.

[3] 時楊，楊澳妮，吳若潔，等.超聲波測距儀的設計與研究[J].電聲技術，2020，44（6）：66-69，73.

[4] 崔靚，王冠龍，朱學軍.超聲波測距系統的設計與實現[J].傳感器與微系統，2019，38（1）：72-74，78.

收稿日期：2022-03-23