超声波测距仪的设计和实现

陈蔚

摘要：本文介绍了利用HC-SR04超声波传感器测距模块组成测距仪的设计方法。讲述了HC-SR04超声波传感器测距模块的特点和使用方法，并从功能、硬件设计以及程序流程等方面介绍了该测距仪的设计。采用这种方案的测距系统具有操作方便，稳定性高，性价比高等特点。

关键词：超声波；测距；单片机

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）05-0182-02

随着科技的快速发展，超声波的运用也越来越多。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，因而可利用其进行距离的测量。特别是超声波对电磁场、色彩和光照度不敏感，更方便用于环境差，如黑暗、有电磁干扰或有毒的地方进行距离的测量。

相对对射式超声波测距传感器，反射式超声波测距传感器价钱低廉，兼容性和标准化程度也较好。因此本设计选用反射式超声波测距集成模块HC-SR04，以PIC单片机为核心，实现对HC-SR04超声波测距模块的数据采集和控制，同时在液晶显示屏上显示精确的测距结果。

1 硬件组成

本系统的硬件设计包括距离采集、控制部分和数据显示三个部分。

1.1 超声波距离采集部分

本设计的距离采集部分选用了超声波测距模块HC-SR04，是借助超声脉冲回波渡越时间法来实现的。该模块可提供2cm-450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达0.3cm。模块包括超声波发射器、接收器和控制电路等部分。模块的各引脚功能如下：TRIG是触发测距引脚，内部上拉10K的电阻，需给至少10μs的高电平信号；ECHO是信号接收引脚，当有信号返回时，该脚输出一个高电平；VCC是5V电源端；GND是接地端；OUT脚为此模块作为防盗模块时的开关量输出脚，测距模块不用此脚。

图1是HC-SR04模块的基本时序图。从时序图可以看出HC-SR04模块的测距主要包含三个过程[1]：（1）控制口TRIG脚触发测距，给至少10μs的高电平信号。（2）模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回。（3）一旦有信号返回，则可以检测到通过接收口ECHO输出的高电平。高电平持续时间就是超声波从发射到返回的总时间。可推出HC-SR04模块的测距公式如下：测试距离=（高电平持续时间×声速（340m/s））/2。

1.2 控制部分

本設计的控制部分由单片机完成。单片机选用PIC16C73，该机最大的特点是省电，适合设计便携式设备；35条简单指令集，编程简便；集成多种外设，简化外围电路。PORTB口的RB0管脚连接HC-SR04模块的TRIG脚，RB7管脚设置成电平中断功能并连接HC-SR04模块的ECHO脚。当RBO口触发测距后，就可以在RB7口等待高电平输出。一有输出就打开TMR1计时，当此口变为低电平时就读TMR1H和TMR1L 的值，即可获取测距时间。

1.3 数据显示部分

本设计选用段码式液晶显示屏LCM103显示测距结果。LCM103是10位多功能通用型8段式液晶显示模块，内含两种频率的蜂鸣驱动电路，内置显示RAM，可显示任意字段笔划，低功耗，显示清晰，编程简单，是仪器仪表通用型显示模块。其片选信号与PIC16C73的RA3脚相接，模块数据/指令写入线连RA2，数据输入输出线连RA1。

本设计的总电路如图2所示。

2 软件设计

PIC单片机软件采用模块化设计，由主程序、各子程序和中断处理程序等组成。主程序完成液晶屏等设备和定时器等的初始化和各子程序的调用：超声波发生子程序，超声波接收子程序，测距子程序和显示子程序。其中超声波测距程序增加了数据的拟合算法，通过拟合算法的数据处理后，大大提高了测量精度。一旦超出超声波传感器的测量范围，将进入中断程序，报警相关的显示程序将执行。超声波测距程序的流程图如图3所示。

3 误差分析

实验结果表明本设计系统误差主要是HC-SR04超声波TRIG引脚和ECHO引脚时序设计上存在固有的时延[3]。在TRIG低电平下降沿后ECHO引脚并没有立马产生高电平，而是有一定时延。TRIG引脚下降沿和ECHO引脚上升沿的时间差约为500μs，将导致被测距离增加十多厘米。此外，由于不同温湿度天气会对声波传播速度造成一定影响，也会带来一定的误差。

4 结语

本设计是以HC-SR04发射式超声波测距模块为核心，以单片机为控制器的应用系统。采用这种方案的测距系统具有操作方便，性价比好，稳定性高，性能稳定等特点。适用于建筑及液面测量，工业控制和车辆自动导航等领域。

参考文献

[1]张可儿.基于单片机的超声波测距仪的设计[J].自动化与仪器仪表，2017，（1）：62-63.

[2]李军，申俊泽.超声测距模块HC-SR04的超声波测距仪设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，11（10）：77-78.

[3]唐晓鹏，谢兴生.利用集成HC-SR04模块设计对射式测距系统[J].微型机与应用，2014，（22）：90-93.