浅析超声波测距仪设计

摘 要：本文研究了一种基于单片机技术的超声波测距设计，设计是以STC89C51单片机为中心结构，结合超声波传感器，经MCU处理运算，当测得距离小于设定值时，STC89C51发出指令控制蜂鸣器报警，并且报警频率可以随着距离变化而变化，当距离越小，报警频率越快。

关键词：超声波;传感器;STC89C51

采用MCS-51系列单片机作为主控制芯片，能够实现超声波检测距离，数据的显示以及各项功能的设置。本系统通过利用超声波传输的距离与时间，并采用51单片机进行控制及数据处理，能精确测量两点间距离，用户还可以通过按键设置报警距离，如果测量的距离低于设置的报警，则通过蜂鸣器发出声音并提醒用户超出设置范围。

1.论文的选题背景和研究意义

超声波技术是一种非接触式测量，它更耐潮湿，灰尘，高温，腐蚀性气体和其他恶劣环境。它具有更少的维护，无污染，高可靠性和长寿命的特点。广泛应用于造纸，采矿，电厂，化工，水处理厂，污水处理厂，农业用水，环境试验，食品等行业。在线校准精度可以在不同的环境下实施，可以用来直接控制水，酒，糖，饮料等的水平，不同的是直接液位各级液位，物料您可以查看和设置关卡的高度。所以，在特殊空气环境中超声波距离的测量具有广泛的应用。

2.课题主要研究

“超声波测距仪设计”设计包括51单片机最小微计算系统，超声波模块，驱动显示电路，报警电路和按键电路。范围由HC-SR04超声波模块测量，数据分析和处理，传输到51微型计算机芯片，然后通过LED数码管显示。报警距离可通过按键调节，电源部分采用稳压直流5V电源。

2.1方案比较

2.1.1激光测量距离

激光测量距离，一般有两种方法来实现对于距离的测量，分别是脉冲和相位测量原理。脉冲测量距离的过程：首先是由测量装置发出一束激光，然后再由测量装置进行反射，直到测量装置接收为止，与此同时测量装置还会记录这束激光来回所用时间，以及光速，即这就是有关于脉冲原理的距离测量。相位法测量距离的过程：激光束的幅度由无线电频带的频率调制，测量进出线的调制光引起的相位延迟，然后由相位延迟表示的距离是调制光它根据波长进行转换。间接方法用于确定光线通过线路所需的时间。

2.1.2超声波测量距离

超声波测量距离的基本原理是利用空气中已知超声波的色散传播速度来进行声波测量，发射之后的超声波遇到障碍物会立即反射回来的时间，然后根据声波的发射以及接收到的时间差能够准确无误的计算出声波发出的位置到障碍物之间的准确地址，这也就相当于雷达原理，在超声波发射范围内，如果超声波在某个地方进行超声波发射，同时在发射的那一瞬间就已经开始记录声波发射的时间，在声波传输过程中，如果传输的声波在中途遇到障碍物会立即反射回来，然后如果超声波接收器能够接收到反射回来的声波，此刻就已经停止记录时间。

对于激光和超声波测量距离这两种方案来说，显而易见我会采用方案二，此电路原理比较简单，电路设计也比较简单，所以我会采用方案二。

2.2电路总体方案

本设计由硬件和软件设计共同实现。该模块被分为采集数据、控制按键、显示四位数码管、蜂鸣器报警四个主要模块。基于单片机的超声波模块为本设计核心部分，基于此，本设计单片机应用系统为超声波测距仪系统，所以，本设计主控芯片为用STC89C51单片机，当所设置的报警值高于测量的距离值，单片机会进行数据分析以及与设置的距离值进行比较，继而能够控制蜂鸣器进行报警。该系统设计的总方案框图如图1所示：

2.3超声波测距模块的主要性能

HC-SR04超声波测距模块对障碍物的测量距离范围在2cm-400cm，可精确到3mm。该模块的基本工作原理如下：

（1）在此模块中，一般会用到IO端口TRIG进行触发测量距离，但是该电路要提供大于10us的高电平信号;

（2）8个40khz方波可以自己发送出来，可检测信号反馈情况;

本模块主要特点如下：

（1）体积超小，相当于两个发射端，接收头的面积已经缩小很多;

（2）没有盲区（10mm以内的较大三角形误差，简单可以视为0）;

（3）响应速度快，测量周期10ms，不易丢失高速目标;

（4）发射端必须靠近接收端并且发射、接收端要与待测物体保持在同一水平上;

（5）该模块上有LED灯，其目的是为了能够更好地进行测试以及观察结果。 系统硬件电路设计

2.4 HC-SR04超声波测距原理

超声波技术测量距离就是利用超声波发射到接收需要的时间T而实现，超声波在介质中的传播速度是C，从超声波发出的位置到障碍物的距离D，由此可知障碍物的距离，计算距离的公式：D =CT / 2。其系统框图如图2所示。

3.系统主程序设计

主程序的功能是由超声波检测模块检测超声波到障碍物的距离，然后将检测到的距离值传入单片机，由单片机进行运算处理后，并且与之前设置的报警值进行比较判断，如果测量的距离小于预先设置的报警值时， STC89C51单片机就会发出指令控制蜂鸣器进行报警，并且报警频率可以随着距离变化而变化，当距离越小，报警频率越快。主程序的流程图如图3所示。

参考文献：

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作者簡介：

张文有（1967—），女，汉族，甘肃兰州，副教授，兰州工业学院，研究方向：电力工程及自动化。