邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系 徐江維 李 菲

基于單片機(jī)的的超聲波測(cè)距儀

邵陽(yáng)學(xué)院信息工程系 徐江維 李 菲

本文設(shè)計(jì)了一款基于ST89C52RC單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀器，ST89C52RC單片機(jī)作為控制核心，片外結(jié)合T/R-40-12小型超聲波傳感器模塊、LCD1602液晶顯示器模塊、晶振電路模塊以及復(fù)位電路等模塊而構(gòu)成超聲波測(cè)距的硬件系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)上的超聲波模塊來(lái)采集使用者距離障礙物的距離，然后通過(guò)ST89C52RC單片機(jī)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本測(cè)距儀器性能穩(wěn)定，攜帶便捷，能夠做到隨時(shí)隨地地測(cè)量距離，不僅如此，它對(duì)單片機(jī)以及超聲波技術(shù)的推廣也具有一定的積極作用。

ST89C52RC單片機(jī)；LCD1602液晶顯示器；距離

本文以基于超聲波測(cè)距為研究基礎(chǔ)，結(jié)合其他必要模塊設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單實(shí)用并且價(jià)格低廉的手持超聲波測(cè)距系統(tǒng)。根據(jù)文獻(xiàn)顯示，超聲波最早是由斯帕拉捷發(fā)現(xiàn)的，他根據(jù)蝙蝠能在黑夜中自由快速飛行，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后，得出了蝙蝠能夠發(fā)出一種人耳聽(tīng)不見(jiàn)的聲波，通過(guò)這種超聲波的指引，蝙蝠才得以自由飛翔，由于這種聲波的頻率大于20khz，超過(guò)了人耳聽(tīng)覺(jué)的上限，因此被稱(chēng)為超聲波，經(jīng)過(guò)后來(lái)相關(guān)儀器的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)超聲波具有很強(qiáng)的能量集中性，不容易發(fā)散，因此非常適合測(cè)距、測(cè)速。

一、基于ST89C52RC單片機(jī)的超聲波測(cè)距硬件方案設(shè)計(jì)

圖1為基于ST89C52RC單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀器總體硬件框圖設(shè)計(jì)，共分為四大模塊，即ST89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波模塊、顯示模塊以及電源模塊。51單片機(jī)最小系統(tǒng)有ST89C52RC單片機(jī)、晶振電路以及復(fù)位電路組成，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)處理、超聲波模塊的驅(qū)動(dòng)、液晶屏的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，是這個(gè)系統(tǒng)的控制核心；超聲波模塊主要用于向測(cè)量物發(fā)送超聲波信號(hào)，并將被反射回來(lái)的超聲波進(jìn)行接收，該模塊是實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能的核心元件；LCD1602是本系統(tǒng)的顯示模塊，用于顯示測(cè)量物距離以及系統(tǒng)的其他參數(shù)；電源模塊用于給整個(gè)系統(tǒng)提供能源。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

對(duì)于ST89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)建，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是晶振電路的設(shè)計(jì)，二是復(fù)位電路的構(gòu)建；將這兩個(gè)電路和ST89C52RC單片機(jī)進(jìn)行組合后，ST89C52RC最小系統(tǒng)就完成了。

二、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ST89C52RC單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的軟件流程圖設(shè)計(jì)，上電后系統(tǒng)首先進(jìn)入初始化階段，在該階段ST89C52RC單片機(jī)、超聲波模塊以及液晶屏內(nèi)部的寄存器被清零，為接下來(lái)的正常工作做準(zhǔn)備。初始化完成后，系統(tǒng)就進(jìn)入了正式的工作狀態(tài)，ST89C52RC單片機(jī)首先驅(qū)動(dòng)HC—SR04超聲波模塊發(fā)射超聲波時(shí)，其發(fā)射中斷管腳會(huì)同時(shí)輸出一個(gè)高電平給ST89C52RC單片機(jī)的P3.2中斷管腳INT0，在INT0中斷時(shí)計(jì)時(shí)器T0被立即啟動(dòng)，開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)超聲波返回并被HC—SR04接收到時(shí)，其接收中斷管腳會(huì)同時(shí)輸出一個(gè)脈沖給ST89C52RC單片機(jī)的P3.3中斷管腳INT1，在INT1中斷時(shí)立即停止計(jì)時(shí)器T0的工作，這樣ST89C52RC單片機(jī)就得到了超聲波發(fā)射和接收過(guò)程所用的時(shí)間，由于超聲波在空氣中的傳輸速度是340m/s，這樣將兩者相乘并除以2，這樣就得到了距離被測(cè)物的距離大小。與此同時(shí)ST89C52RC單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶屏將距離大小顯示出來(lái)，供用戶(hù)查看。HC-SR04超聲波測(cè)距流程設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)上電后HC-SR04超聲波模塊經(jīng)過(guò)初始化過(guò)程后測(cè)距過(guò)程進(jìn)入正常工作階段。 測(cè)距過(guò)程開(kāi)始時(shí)，ST89C52RC單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部的精準(zhǔn)定時(shí)電路產(chǎn)生一串頻率穩(wěn)定的脈沖信號(hào)并經(jīng)過(guò)P3.2管腳傳送給HC-SR04的Trig管腳，與此同時(shí)單片機(jī)的定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。HC-SR04內(nèi)部的晶振在感受到Trig管腳的脈沖信號(hào)后出現(xiàn)共振向外發(fā)送超聲波，當(dāng)超聲波在傳送途中遇到障礙物時(shí)會(huì)被返回，并最終會(huì)被HC-SR04的接受器接收到，與此同時(shí)單片機(jī)的定時(shí)器立即停止計(jì)時(shí)并將計(jì)時(shí)值換算成和障礙物的距離，這就是超聲波測(cè)距的一個(gè)流程。本系統(tǒng)的LCD1602液晶顯示子程序流程設(shè)計(jì)，使用者在給系統(tǒng)供電后，LCD1602的液晶背光燈被打開(kāi)，然后LCD1602內(nèi)部存儲(chǔ)芯片和RAM會(huì)自動(dòng)進(jìn)行清零等初始化工作，接著主控核心51單片機(jī)會(huì)通過(guò)P0管口發(fā)出指令代碼并傳送到LCD1602的DB0～DB7八個(gè)管腳，LCD1602液晶顯示器接收到指令代碼后內(nèi)部會(huì)處于一段暫時(shí)忙碌的狀態(tài)，此時(shí)單片機(jī)是不能對(duì)LCD1602進(jìn)行任何操作的，只有忙碌階段結(jié)束后LCD1602才能重新接受單片機(jī)發(fā)來(lái)的指令或者數(shù)據(jù)，然而單片機(jī)卻不能自己判斷LCD1602是否處于忙碌狀態(tài)，必須發(fā)送一個(gè)判忙代碼后才能清楚的知道LCD1602當(dāng)前是否處于忙碌，另外有經(jīng)驗(yàn)的程序員通常不對(duì)LCD1602進(jìn)行判忙，只要在寫(xiě)命令后加一個(gè)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)程序讓單片機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)處于等待狀態(tài)即可，這樣就省略了“判忙”過(guò)程，這樣帶來(lái)的好處是單片機(jī)就不用對(duì)LCD1602進(jìn)行讀取了，也就為單片機(jī)省去了一個(gè)寶貴IO口的消耗。在單片機(jī)發(fā)送完指令后就開(kāi)始發(fā)送要顯示的內(nèi)容了，內(nèi)容的數(shù)據(jù)也是通過(guò)P0口的八個(gè)管腳發(fā)送出來(lái)，然后直接傳送給LCD1602的DB0～DB7八個(gè)管腳，這樣就完成了一個(gè)字符的顯示流程，而要在LCD1602上顯示字符串，那么將進(jìn)行多個(gè)這種過(guò)程后才能實(shí)現(xiàn)我們想要的結(jié)果。

三、結(jié)語(yǔ)

利用超聲波進(jìn)行測(cè)距有許多優(yōu)點(diǎn)比如不受光強(qiáng)度、色彩和電磁場(chǎng)等外界因素的影響，而且超聲波傳感器的價(jià)位較低、結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，超聲波以聲速傳播，方便收發(fā)與計(jì)算。在汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)、移動(dòng)機(jī)器人的避障、特別是測(cè)量距離等許多方面都已有了非常普遍的應(yīng)用。 本次設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀是在STC89C52RC單片機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，在分析和了解了超聲波的一些優(yōu)點(diǎn)和特性后，又查看了利用超聲波測(cè)距的基本原理。最后決定使用STC89C52RC單片機(jī)系統(tǒng)和超聲波傳感器共同組成。設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀的硬件部分主要包括電源及復(fù)位模塊、單片機(jī)與超聲波模塊組成的超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、LCD1602顯示模塊。軟件部分主要包括單片機(jī)主程序、根據(jù)超聲波發(fā)射與接收計(jì)算距離程序、LCD1062距離顯示程序、按鍵控制程序，這樣安排使得系統(tǒng)具有模塊化的特點(diǎn)。系統(tǒng)容易進(jìn)行控制，具有可靠地的性能，具有較高的測(cè)量精度，最重要的是能對(duì)距離進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

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