基于51单片机的超声波测距系统的设计

2011-06-02衡水职业技术学院曹月真

电子世界 2011年10期

关键词：高电平液晶测距

衡水职业技术学院曹月真

一、设计任务和性能指标

（一）设计任务

利用单片机及外围接口电路设计制作一个超声波测距仪器，用液晶显示器将测出的距离显示出来。

要求画出系统的电路原理图，实物图，绘出程序流程图，并给出程序清单。

（二）性能指标

距离显示：用LCD液晶显示器进行显示（单位是米）。

测距范围：1Ocm到4OOcm的距离感测功能，测距精度可达到5mm以内。

图1 系统设计框图

图2 超声波测距模块

图3

二、设计方案

按照系统设计的功能要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成（如图1）。

单片机主控芯片使用51系列AT89S52单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。

显示模块采用LCD12864，其突出优点就是可以显示汉字等字符，且与单片机的接口简单，操作方便。

超声波发射模块和接收模块采用HCSRO4超声波测距模块，该模块性能稳定，测量距离精确，精度高，盲区（2cm）超近。

三、主控电路

本系统采用了STC89S52作为主控电路，图2为主控电路原理图，图3为主控电路实物图。

STC89S52为STC公司的一款通用单片机，其操作简便，功能强大，适用于简单的控制系统的数据处理和动作控制方面。该芯片加密性强，具有超强抗干扰性能：

1.高抗静电（ESD保护）

2.轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰（EFT测试）

3.宽电压，不怕电源抖动

4.宽温度范围：-4O℃～85℃

5.I/O口经过特殊处理

表1 12864液晶基本特性

6.单片机内部的电源供电系统经过特殊处理

7.单片机内部的时钟电路经过特殊处理

8.单片机内部的复位电路经过特殊处理

9.单片机内部的看门狗电路经过特殊处理

该芯片在系统可编程，无需编程器，可远程升级，可以直接替换ATMEL，PHILIPS，Winbond等产品。

四、超声波模块

（一）超声波测距原理

通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为34Om/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=34Ot/2）

（二）超声波测距的应用领域

超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。

（三）HC-SRO4超声波测距模块

HC-SRO4模块可以提供2cm-4OOcm的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm；可以满足设计要求（见图2）。

1.主要技术参数：

（1）使用电压：DC5V

（2）静态电流：小于2mA

（3）电平输出：高5V

（4）电平输出：低OV

（5）感应角度：不大于15度

（6）探测距离：2cm-45Ocm

（7）高精度：可达O.3cm

2.模块工作原理：

（1）采用IO触发测距，给至少1Ous的高电平信号；

（2）模块自动发送8个4Okhz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(34OM/S))/2

3.模块特点：

（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可在黑暗、有粉尘和测量透明物体的环境下使用；超声波对电磁干扰不敏感，可在有电磁干扰等恶劣环境下工作；超声波易于集成化、小型化。

（2）超声波会受温度、气流、材质等影响；超声波测距如欲达到一定精度，需要复杂的外围电路支持。

五、显示模块

显示单元部分采用12864液晶模块，根据设计要求，用于显示测量距离，其显示单元电路如图3所示。

（一）12864液晶功能及优势

带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示；其显示分辨率为128×64。内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字。

12864液晶模块可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。