基于单片机带温度补偿的超声波测距仪设计

于 姣

(苏州高等职业技术学校 电子工程系，江苏 苏州 215009)

超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等优点［1－2］，因而超声波经常用于距离的测量，如物位测量仪和测距仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测比较快速、方便、计算简单、易于实时控制，并在测量精度方面能达到工业实用的要求，性价比较高。因此在液位、井深、管道长度的测量、移动机器人定位和避障等领域得到了广泛应用。

本设计以脉冲回波法的超声波测距原理为依据［3－4］，AT89S52 单片机作为控制核心，结合超声波发送和接收模块HY－SRF05，实时LCD 显示。系统采用DS18B20 温度传感器，把温度值的变化补偿到超声波的波速中，从而提高超声波测距仪的精度，降低温度对测距结果的影响。

1 超声波测距原理

超声波测距的原理是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判断出距离，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［5］，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物则立即返回，超声波接收器收到反射波则停止计时。

图1 超声波测距原理图

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［6］

其中，s 是超声波往返通过的路程;V 为超声波介质中传播速度;T 为实际温度。所以超声波传播速度和温度密切相关，由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。

2 系统硬件设计

该系统由5 部分组成，以AT89S52 单片机作为控制核心，温度传感器DS18B20 用于温度的采集，LCD用于显示实时温度和障碍物的距离，超声波传感器HC－SRF05 用于超声波的发送和接收。系统整体结构框图如图2 所示。

图2 系统整体结构框图

2.1 超声波传感器

超声波传感器HC－SRF05 集超声波的发送和接收功能于一体，可提供2 ～450 cm 的非接触式距离感测功能。图3 是HC－SRF05 的实物图，图4 是超声波模块电路图。1 脚为5 V 电源端;2 脚为触发控制的信号输入端，与单片机的P3.7口相连;3 脚为回响信号输出，与单片机P3.2口相连;4 脚接地;5 脚为开关量输出。

图3 超声波传感器HC－SRF05

图4 超声波模块电路

P3.7口向触发引脚发送≥10 μs 的脉冲触发信号，该模块内部将发出8 个40 kHz 周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号，则3 脚输出回响信号，所测的距离与回响信号的脉冲宽度成正比，由此可通过发射信号到收到回响信号的时间间隔计算得到距离。超声波时序图如图5 所示。

图5 超声波时序图

2.2 温度传感器DS18B20

由于声音的速度在不同的温度下有所不同，因此为提高精度，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正［7］。系统采用DS18B20 传感器测量温度，DS18B20 温度传感器具有不受外界干扰、精度高、测温范围宽等优点［8－9］。检测电路如图6 所示，单片机P3.1口接DS18B20 数据总线，控制DS18B20 进行温度转换和传输数据，数据总线接10 kΩ 的上拉电阻，作用是使总线控制器在温度转换期间无需一直保持高电平。

图6 温度检测电路

2.3 LCD 显示模块

LCD1602 具有超薄、功耗低、体积小等优点，被广泛用于低功耗电子产品和智能仪表中［10］。LCD 显示电路如图7 所示，3 脚VL 为对比度调整端，使用时通过接一个10 kΩ 的电阻来调节。4 脚RS 为寄存器选择信号线，H 为数据选择，L 为指令选择，接单片机的P1.0口。5 脚RW 为读写信号线，接单片机的P1.1口。6脚E 为使能端，当E 由高电平跳变为低电平时执行命令，接单片机的P1.2口，8 位数据线D0～D7，接单片机的P0口。

图7 LCD 显示电路

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

系统软件采用模块化设计，系统初始化部分包括引脚的定义、中断和定时器的设置等，进而调用温度检测子程序，根据温度值对超声波速度进行校准，最终根据回波信号计算距离并显示，主程序流程如图8 所示。

图8 主程序流程图

3.2 超声波测距子程序

超声波发送子程序采用定时器T0中断的方式由单片机P3.7引脚发送触发脉冲，由单片机P3.2引脚利用定时器T1来对回波信号进行检测计时，初始化T1后检测等待回波信号的到来，当信号由低变高后定时器T1开始计时，直到信号由高到低计时结束，根据温度校准后的超声波速度计算障碍物的距离，超声波测距流程如图9 所示。

图9 超声波测距流程图

4 实验结果

硬件电路如图10 所示，经过试验采集的数据如表1所示。由表1 数据可看出，当测量范围在30 ～150 mm之间时，误差相对较小，此范围之外误差较大。

图10 系统实物

表1 实验数据表

5 结束语

本系统通过引入DS18B20，使超声波测距系统的测量精度有了较大的提高。该系统具有结构简单、带温度补偿、实时LCD 显示和报警等优点，并有一定的实用价值。

［1］ 郭清.基于STC89C52 的超声波测距防撞系统设计［J］.仪表技术与传感器，2011(6):74－77.

［2］ 王安敏，张凯.基于AT89C52 单片机的超声波测距系统［J］.仪表技术与传感器，2006(6):47－49.

［3］ 庞彦宾，陈克安.自由场分散式有源声控制系统稳定性分析［J］.电声技术，2010，34(2):73－76.

［4］ 张晓宇，仪垂杰.主、被动噪声控制的实验研究［J］.噪声与振动控制，2011，31(3):145－148.

［5］ 曹月真.基于51 单片机的超声波测距系统的设计［J］.电子世界，2011(10):55－56.

［6］ 李柏庚.超声波测距仪设计［J］.工具技术，2012，46(6):82－85.

［7］ 沙爱军.基于单片机的超声波测距系统的研究与设计［J］.电子科技，2009，22(11):57－61.

［8］ 兰羽，周茜.超声波测距系统接收电路研究［J］.电子设计工程，2012，20(14):81－83.

［9］ 兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计［J］.电子测量技术，2013，36(2):85－87.

［10］周知进，文泽军，卜英勇，等.小波降噪在超声回波信号处理中的应用［J］.仪器仪表学报，2009，30(2):237－241.