基于单片机的超声波测距仪设计

董钢 重庆工程学院电子信息学院

引言：随着人们生活水平的提高，科技的不断进步，测速、测距在生活中应用越来越多。例如，在交通方面，道路上会定点安装测速的装置，对车辆是否超速进行检测；汽车上也普遍装了雷达，来对车辆周围的物品进行距离检测，当快要碰到的时候会发出警报。但是，生活中建筑的测量，家具的测量，房高的检测这些方面，人们常常会使用软尺等来测量。为了解决传统的软尺、直尺等在精确度，距离和测量环境的影响，设计了基于单片机的超声波测距仪。

在本系统中超声波用来测量物体之间的距离。由于超声波的频率高于20kHz，实际生活中超声波频率越高，它的反射越强。利用这个特性设计超声波测距仪，先发送高频率的超声波，当接触到被测物体时，发射回到接收器，通过往返的时间差，以及计算超声波的衰减，根据一系列数据，得到被测物体的距离。

1 控制方案的确定

本系统主要由MSP 430 F 149 单片机控制，HC - SR04 超声波传感器检测空气中的超声波，采用LCD 1602 液晶作为显示控件。另外还包含有按键控制、蜂鸣器、电源等模块共同组成了本系统。在系统的电路上设计合理，能够满足用户在生活中和工业中实际的检测，系统的运行情况稳定，检测的结果准确，操作方便。

本系统控制方式的选择主要分为单片机采用芯片的选择，报警方式的选择，数据显示的选择，距离检测方式的选择。

C P L D是可编程的逻辑器件。C P L D的编程十分灵活，软件设计开发的周期相比其他的而言具有周期短，适用范围相对较广。C P L D的优点是能够同时进行输入输出，这样就可以提高系统的处理速度；缺点是它的功耗比较大，在本系统中没有特别复杂的逻辑，对数据的处理速度要求也不高。从节能和资金方面考虑,C P L D不适用于本系统。

52单片机含有8字节的能够编程也能清除的F lash 存储器，而且它含有的C M O S 8位的微控制器，同时它的功耗也低，但是它的运行速率太慢了，所以不适用于本系统。

第三种方案是采用美国德州仪器（TI）推出的一种16位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）MSP430单片机，主要是针对实际方面的应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供一种混合信号处理的解决方案，即“单片”混合信号处理。M S P 43F149 是16位混合型的单片机，相对于其他单片机具有指令集精确简短，功耗低，可以在多方面延展使用，而且体积小，价格便宜。相对于其他单片机而言，M S P 43F 149更适合本系统，因此在本次设计中采用。

2 声音报警电路方案的选择

方案一：第一种方案是采用语音集成芯片ISD4004进行报警，由于ISD4004需要扩充喇叭驱动电路，且其本身控制比较繁琐、电路也比较复杂，稳定性不好，噪音较大。基于以上考虑之后，所以放弃了此方案。

方案二：第二种方案是通过蜂鸣器实现报警电路，它具有以下优点：电路简单、性能可靠、稳定性好等，最重要的是低成本，所以选择方案二。

方案三：第三种方案是采用音乐芯片作为本系统的报警模块，音乐芯片较其它而言，它的语音电路简单，音乐的产生是通过内部振荡电路产生。音乐芯片在语音集成中占着很重要的地位，而且在生活中的门铃、贺卡、玩具、闹钟中经常能够看到它的存在。故选择方案二。

3 显示方案的选择

方案一：采用L E D数码管动态显示。L E D数码管价格便宜，性价比也较高，并且采用动态扫描与单片机连接，占用的接线端少，电路简单。但是显示的内容单一，故在本系统中不适用。

方案二：采用点阵式数码管显示，点阵数码管最常见的是8×8的二极管构成。点阵能够更好的的显示文字。由于本系统是对距离的测量，基本上显示的是数字，如果采用点阵的话有点浪费，比较耗电，价格也不便宜。故在本系统中不适用。

方案三：采用L E D液晶屏显示。L E D液晶屏是由单片机来驱动的，可以显示数字、文字和图片，并且显示界面清晰、美观，而且液晶显示的程序简单，价格便宜。故选择方案三。

4 距离检测模块的选择

方案一：采用红外线光电开关。利用近红外线和远红外线来检测物体，根据红外线碰到障碍物反射的原理，对接收的红外线进行分析，判断障碍物距离。但是，红外光电开关要在照明度高的环境工作，并且不能正对太阳光、灯光等强烈光源。因此不适合本系统。

方案二：采用超声波传感器。超声波在传播时波长较短，绕射的现象少，方向性好能够定向传播。超声波传感器是通过对发射的超声波遇障碍物返回，接收返回的超声波进行分析，得出距离。这样测出障碍物的距离准确性较高。

方案三：采用红外测距传感器。GP2Y0A21YK0F是测距传感器单元，它是一种基于PSD的微型距离传感器，其有效测距距离在10-80cm内，并且有效的测量角度必须要大于40度，以模拟电压为输出信号，在0-8cm内于Juin成正比非线性关系，在10-80cm范围内成反比非线性关系，其平均功耗约为30mA，反应时间约为5ms，并对背景光和温度的适应性较强[2]。虽然红外传感器的价格便宜，但是测量的精度准确性低，测量的距离较近，程序复杂，因此不适用于本系统。故选择方案二。

5 结束语

本设计为基于MSP430F149单片机的超声波测距仪，最初设定的预期测量范围在2厘米到6米，通过实验中的多次记录和分析，即对硬件进行调试，对电路进行测量，以及进行相应的校准,最终得到的结论是：测量范围在2厘米到5米左右，并且2米到5米以内有较高的测量精度，最大误差在3厘米。总体来说,各部分功能稳定，该测距仪还是达到了有效的测距功能和目的。通过多方面的分析，造成本设计不足的原因主要有以下几点：A：电路之间的干扰较大。B：超声波在介质中传播时会受到衰减。C：温度对测距仪的功能有影响，在某些温度下超声波测距仪的测距功能还不能达到。

由于时间有限，并且超声波测距仪本来就很难达到中远距离的测，但是在以后可以通过更多的时间去不断地研究，尽可能的增大它的测量范围，如提高驱动超声波传感器的脉冲电压幅值，使电/声转换更以达到一个更好而水平，从而使发射超声波的能力更强；另外还可以对电路不断进行完善，以减少信号线之间的相互干扰等。

超声波测距仪是一种十分新颖的被动式的超声波探测器，可以有效的探测出前方物体的距离，其成本低，操作简单，作为一种无损检测技术，为我们的工业带来极大的效益，并且它还有许多潜在的发展空间，在未来必将并拥有宽阔的前景。