基于STC89C52单片机的超声波测距仪设计

【摘要】由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。STC89C52是STC系列单片机里应用比较广泛的一款，本文主要是利用STC89C52单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作。

【关键词】超声波传感器；STC89C5 2；测距仪

传感器是现代信息技术的主要内容之一，其中超声波传感器有着广泛、普遍的应用。随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。

本文所设计的测距仪包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。电路结构可划分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。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。图1为系统总体设计图：

主控制模块设计

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。电路中用到3个按键，一个是设定键，一个加键，一个减键。

复位电路模塊设计

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

时钟电路模块设计

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。

声音报警电路模块设计

用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P13引脚上，构成声音报警电路。

显示模块设计

数码管使用的是4位共阳极数码管，驱动电路中三极管使用的是8550三极管。其中8550三极管可以和9012三极管通用，都为PNP型三极管。其中三极管是用来做驱动的作用。

按键电路模块设计

按键电路用来设置测距的安全距离有三个按键分别是进入设定键，增加距离键，减少距离键。

超声波测距模块设计

超声波模块采用现成的HC-SR04超声波模块，该模块可提2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回。有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，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（340M/S））/2。

时序图表明只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

误差分析

要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。

超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响。实际情况下，温度每上升或者下降1度，声速将增加或者减少 0.607m/s，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。

结论

对所设计的硬件电路进行测量、校准发现其测量范围0.2cm～400cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为3cm，显示最小分辨率为0.01m，测量盲区小于0.15米，且重复性好。该系统通过以STC89C52单片机为工作处理器核心，超声波传感器，它是一种新颖的被动式超声波探测器件，能够以非接触测出前方物体距离，并将其转化为相应的电信号输出。该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活；且安装方便、智能性高、误报率低。

参考文献

[1]宋文绪.传感器与检测技术[M].高等教育出版社，2004年

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

[3]郁有文.传感器原理及工程应用[M].西安电子科技大学出版社，2003年

[4]景旭文等.超声测距的研究[J].华东船舶工业学院学报，1994年

作者简介

张野（1988—），男，辽宁朝阳人，沈阳理工大学硕士研究生，研究方向：图像信息处理技术。

基金项目

辽宁省科学计划计划项目（2012217005）；辽宁省科学事业公益研究基金（2012004002）