基于单片机的超声波测距系统设计

周建国　彭志雄

摘 要：本设计是以单片机技术为基础，实现对前方物体距离的测量。根据超声波指向性强，能量消耗慢，在介质中传播距离远的特点，利用超生波传感器对前方物体进行感应，经过STC89C52单片机中的程序对超声波传感器发射和接收的超声波信号进行分析和计算处理，最后将处理结果在LCD1602上显示，并设置若干功能按键。测量范围为2cm到300cm。

关键词：STC89C52；HC-SR04超声波传感器；LCD1602

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.216

0 引言

由于超声测距是一种非接触检测技术，具有不污染、高可靠、等特点。因此可广泛应用于车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声波测距技术在生产实践中发挥着重要作用。

利用超声波测量技术能够比较快速、便捷，且易于做到实时控制，此外在测量精度上能达到工业级的指标要求。因此，超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此也广泛应用在汽车倒车雷达等方面。

1 超声波测距的原理

（1）超声波的基本理论。超声波技术是一门以机械、材料科学、信息科学以及半导体技术为基础的、应用广泛的综合性学科。超声波技术在生产实践中能够大幅度提高产品质量，保障生产过程的安全性和生产设备的安全运行、提高生产效率、降低生产成本。因此，人们对超声波技术的应用进行了深入的研究。

超声波技术包含了超声波的产生、传播以及接收这三个过程。超声波的特性有聚束、反射、投射以及定向性。根据超声波辐射功率的大小，大致可以分为两种，一种是用超声波使物体的物性变化的功率应用，称为功率超声；另一种是用超声波获取信息，称为信息超声。

（2）超声波测距系统原理。在超声波测距系统中，先有单片机产生一个40us的高电平触发信号给超声波产生模块，发射探头发出8个40kHz的脉冲，然后模块产生一个脉冲信号，其宽度为发射与接收的时间间隔，被测物体距离越远，所产生的脉冲宽度越大。超声测距的方法大致有以下几种：1）取输出脉冲的平均值电压，该电压 （其幅值基本固定 ）与距离成正比，测量电压即可测出距离；2）测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，因此被测距离为S=0.5×v×t。在本系统中采用第二种方案。在高精度的中长距离测量中，适合使用超声波测距，由于超声波在标准空气中的传播速度为331.45m/s，由单片机负责计时，单片机的晶振使用11.0592M，因此在理论上系统可以达到毫米级的测量精度。

超声波测距的算法设计： 超声波在空气中传播速度为340m/s（15℃时）。T2是接收到超声波的时刻，T1是发射超声波的时刻，T2—T1得出时间间隔的绝对值，假定T2—T1=0.05s，则有340m×0.05s=17m。超声波测距系统的系统框图如下图所示：

2 系统主要硬件设计

（1）超声波发射电路设计。超声波发射电路是由超声波发射探头和超声波运算放大器构成。超声波发射探头是将电信号转换为机械振动波发射出去，而单片机所产生的8个40 kHz的方波需要进行放大后才能驱动超声波发射探头将超声波发射出去，因此发射驱动实际上是一个信号调理电路，本设计中选用74LS04芯片进行信号的放大。

在发射电路正常工作时，由单片机产生40 kHz的脉冲从P3^1口向超声波的发射电路部分发出指令信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波发射探头将超声波发射出去。

（2）超声波接收电路设计。超声波在空气中传播会随着距离的增加而减弱，如果测量距离较远，则超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的微弱信号进行放大。超声波的接收电路是由集成芯片CX20106A为核心构成的，CX20106A芯片电路可以对接收到的超声波信号进行放大、整形、带通滤波、限幅、峰值检波、比较等功能，之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，同时单片机停止计数，并开始去进行数据处理。

CX20106A芯片中的前置放大器具有自动增益控制（AGC）功能，当测量距离较短时，放大器增益会自动减小，因而不会过载；而当测量距离较远时，超声波信号微弱，前置放大器就会自动增加增益值，从而得到合适的输出信号。

3 系统软件设计

（1）基于LCD1602的显示模块：分为等待子程序、写入子程序、显示子程序以及初始化子程序；

（2）距离计算程序：分为超声波发送控制子程序和信号接收处理子程序；

（3）由于C语言有更大的优势，因此本系统的程序设计语言使用C语言。编译器使用KeiluVision4进行程序编译与调试；

（4）主程序：可分为系统初始化子程序、显示子程序、按键处理以及中断处理子程序等部分。

4 结论

本设计利用超声波传感器实现无接触式空气测距，传感器根据当前的环境温度对初始的距离值进行校正，此时无需在程序中对超声波声速进行校正，即无论温度多少，声速选择340m/s 即可。故本系统在常温下具有测量精度高、抗干扰能力强等特点，可适用于各种障碍物的识别以及车辆自动导航等领域，因此具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]陈莹.基于单片机的超声测距系统[D].武汉：华中科技大学硕士论文，2004（04）.

[2]胡萍.超声波测距仪的研制[M].计算机与现代化，2003（10）.

[3]杨姣秀，基于单片机的超声波测距仪的设计[J].湖南工业大学，2008.

[4]张谦琳.超声波检测原理和方法[M].北京：中国科技大学出版社，1993（10）.

作者简介：周建国（1995-），男，在读本科，研究方向：MCU应用系统设计。