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基于单片机的超声波测距系统的设计与实现

  • 投稿沈星
  • 更新时间2015-09-11
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雷文礼,任新成,邵婷婷

(延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000)

摘要:随着计算机技术的飞速发展,芯片价格日益降低,可靠性稳步提升,用智能技术为人们的生产和生活提供便利成为一种迫切的需求。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段,有效避免了测距人员与危险环境的接触,可以很好地满足无线测距的现实需求。这里设计一种可以实时测量的便捷式测距系统,该系统可对障碍物实时测量,具有操作简单,可靠性高的特点。

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关键词 :超声波;STC89C52;无线测距;实时性

中图分类号:TN912.203.1?34;TP273.5 文献标识码:A 文章编号:1004?373X(2015)15?0012?03

收稿日期:2015?02?05

基金项目:延安市科学技术研究发展计划项目(2014KG?04);陕西省教育厅科研计划项目资助(14JK1829);陕西省科学技术研究发展计划项目(工业攻关)(2014K05?61);国家自然科学基金(61379026)

在人们的日常生活和工业生产现场中,经常会碰到一些需要非接触测距的场合,如带腐蚀的液体,强电磁干扰,有毒等恶劣条件下,测量距离存在不可克服的缺陷。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段,有效避免了测距人员与危险环境的接触,可以很好地满足无线测距的现实需求,获得了广泛的应用[1]。本文设计一种可以实时测量的便捷式测距系统,该系统可对障碍物实时测量,具有操作简单,可靠性高的特点。

1 超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波,同时开始计时[2],当超声波接收器收到超声碰到障碍物后的反射波时,立即停止计时,记录时间t。根据超声波在空气中的传播速度和计时器记录的时间t,用速度距离公式,可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:S = 340t 2。

在测距时,当传播介质温度变化不大时,近似认为超声波速度在传播的过程中是不变的,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离,如图1所示。

式中L 表示两探头之间中心距离的一半。

超声波的传播距离为:

式中:v 为超声波的传播速度;t 为从发射到接收所用的时间。

将式(2),式(3)代入式(1)中,得:

当需要测量的距离H ? L 时,则式(4)变为:

所以,这里需要精确测量出超声波传播的时间t,就可以根据上述公式,计算出需要测量的距离H。

2 系统设计

本系统按模块划分为测距模块、控制模块、显示模块、报警模块[3],如图2所示。电路结构可划分为超声波传感器电路、报警电路、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说,单片机就是该设计的中心单元。系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时,主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理,然后控制蜂鸣器报警[4]。

2.1 硬件电路设计

硬件电路总设计如图3所示,该设计中要用到如下器件:STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路[5]。其中,D1为电源工作指示灯,电路中用到3 个按键,一个是设定键,一个加键,一个减键。

超声波模块采用HC?SR04 超声波模块,该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路,具有2~400 cm的非接触测距功能,精度可达3 mm,模块采用I/O口TRIG触发测距,可自动发送8个40 kHz的方波,并检测是否有信号返回。若有信号返回,则通过I/O 口ECHO 输出一个高电平,该高电平的持续时间即为超声波从发射到返回[6]的时间t。

测试距离= (高电平时间× 340) 2

超声波模块如图4所示,供电电压VCC 为5 V,TRIG为触发控制信号输入,ECHO为回响信号输出线。

本文设计采用定时器0 进行时间测量,设置TCNTT0为预设值0XCE,8分频,当定时器0溢出中断发生2 500次时为125 ms,计算公式如下(单位:ms):

T = (定时器0溢出次数× (0XFF?0XCE))/ 1 000

式中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。显示模块采用LCD1602 字符型液晶显示电路,显示接口电路如图5所示。

声音报警电路采用三极管、电阻和一个扬声器连接到主控制器的P13引脚上,构成一个声音报警电路,如图6所示。

本设计中复位电路采用在RESET端持续给出2个机器周期的高电平,复位电路如图7所示。

电源部分的设计采用3节5号干电池4.5 V供电。

2.2 软件设计

系统主程序工作流程如图8所示。

系统启动后,首先自动进行初始化,然后用测定距离和设定值进行比较,如果大于设定值则返回初始化,如果小于设定距离便启动报警器,然后进行距离比较,如果依然大于设定值便结束报警。

3 结语

本文设计了一种基于单片机的超声波测距系统,并对系统的软硬件实现和电路连接图进行了详细描述,该系统能对中近距离障碍物进行实时测量,具有操作简单,可靠性高的特点。该系统可广泛应用于汽车倒车雷达等现实应用中,并为其他无线测距方案提供了借鉴。

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参考文献

[1] 吴政江.单片机控制红外线防盗报警器[J].实用电子制作,2006(12):26?28.

[2] 宋文绪.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社,2004.

[3] 余锡存.单片机原理及接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.

[4] 唐桃波,陈玉林.基于AT89C51的智能无线安防报警器[J].电子设计应用,2003(6):49?51.

[5] 李全利.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[6] 薛均义,张彦斌.MCS?51系列单片微型计算机及其应用[M].西安:西安交通大学出版社,2005.

作者简介:雷文礼(1982—),男,讲师。主要研究方向为无线通信技术、通信系统与终端设计。