王瑞榮

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原，030008）

0 引言

超聲波的傳播介質(zhì)非常廣泛，在氣體、液體和固體中都可以傳播，并且傳播距離較遠(yuǎn)，傳播速度恒定，能量消耗緩慢，不受電磁、光線、煙霧等的影響，有一定的環(huán)境適應(yīng)能力，所以超聲波常用來(lái)定位以及距離測(cè)量[1]。

像物位測(cè)量?jī)x和測(cè)距儀等儀器一樣，通過(guò)利用超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)距離測(cè)算的機(jī)器還有很多。超聲波檢測(cè)快速、方便、操作簡(jiǎn)單是超聲波檢測(cè)的一般優(yōu)點(diǎn)，并且易于實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，性價(jià)比較高[2]。超聲波具有很好的指向性，同時(shí)可以在一定程度上避免對(duì)人體的危害，因此超聲測(cè)距廣泛應(yīng)用于避障，倒車?yán)走_(dá)，移動(dòng)機(jī)器人定位，建筑施工工地等工業(yè)領(lǐng)域。

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀使用的核心微處理器是STC89C52，超聲波在超聲波trig端生成，為記錄超聲波發(fā)送到返回的時(shí)間，啟動(dòng)單片機(jī)的定時(shí)器。遇到障礙物后，在介質(zhì)中傳輸?shù)某暡⒖陶刍?，并?jīng)過(guò)回波超聲波echo端接收，并立即停止計(jì)時(shí)。經(jīng)過(guò)計(jì)算芯片計(jì)算出障礙物與發(fā)射器之間的間隔，并通過(guò)液晶屏顯示，在小于或超出設(shè)定范圍時(shí)，由蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)采用單片機(jī)控制輸入單片機(jī)的外部中斷源，從超聲波器件輸出。在通過(guò)發(fā)射超聲波的觸發(fā)端定時(shí)系統(tǒng)后，定時(shí)器在STC89C52里面立刻開(kāi)啟，超聲波傳輸電路開(kāi)始工作，為了記錄超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間，利用定時(shí)器來(lái)計(jì)算，得到這個(gè)時(shí)間差后，通過(guò)公式計(jì)算出儀器到障礙物的距離，結(jié)果輸入到液晶屏顯示。

1 超聲波測(cè)距原理

1.1 超聲波簡(jiǎn)介

當(dāng)物體振動(dòng)，它們都會(huì)發(fā)出聲響。在物理學(xué)上，頻率的定義為物體每一秒振動(dòng)的次數(shù)，單位為赫茲。超聲波是高于兩萬(wàn)赫茲的聲波。它可用于測(cè)量、清潔、電焊、礫石[4]。據(jù)長(zhǎng)久以來(lái)的研討可看出，超聲波在傳播的途徑中，被介質(zhì)所包圍，它振動(dòng)的頻率很大，超聲波每一小部分包含的能量也很大[5,6]。

1.2 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距儀測(cè)量距離依照的是超聲阻礙的特點(diǎn)。超聲波從超聲發(fā)射器的發(fā)射端發(fā)射后，在空氣中傳播，而超聲波在遇到障礙物后返回輸入到接收端，并且定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。超聲波從發(fā)射到返回接受這個(gè)階段的連續(xù)檢測(cè)后，可以算出發(fā)射出波和接收回波的時(shí)間差△t，聲速已知為常數(shù)C，即可算出L。

基本的測(cè)距公式如式(1)所示：

式中：L為要測(cè)的距離；

△t為超聲波發(fā)射和反射回接收的超聲波這一階段的時(shí)間差；

C為超聲波在空氣中傳播的速度，常溫下取為344m/s。

經(jīng)過(guò)多方考量，本設(shè)計(jì)選取了已經(jīng)集成好了發(fā)射電路和接收電路的HC-SR04超聲波傳感器來(lái)構(gòu)成作為本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距模塊，這樣在電路和程序的設(shè)計(jì)上都可以節(jié)省很多精力。性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小是它的主要特點(diǎn)。在測(cè)量時(shí)，接收端‘ECHO’會(huì)在一個(gè)大于15us寬度的高電平由控制端‘TRIG’發(fā)送后收到高電平輸出然后定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)該端口進(jìn)入低功率狀態(tài)時(shí)，停止計(jì)時(shí)并讀出計(jì)時(shí)器的值，這個(gè)值就是超聲波往返的時(shí)間，再根據(jù)傳播速度可以計(jì)算出障礙物的距離。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本次超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)由單片機(jī)處理器、超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收探頭、液晶顯示模塊、蜂鳴報(bào)警模塊、溫度補(bǔ)償模塊、按鍵控制模塊組成。超聲波測(cè)距儀由最小單芯片系統(tǒng)控制，超聲波自超聲波發(fā)射探頭發(fā)射，接收探頭接收遇到阻礙后反射回的超聲波。該硬件分為七部分：最小單芯片系統(tǒng)、超聲波傳輸和接收電路、按鍵控制電路、蜂鳴報(bào)警電路、數(shù)字顯示電路和溫度補(bǔ)償電路。本設(shè)計(jì)選擇用STC89C52即51單片機(jī)作為核心處理器，得到的距離數(shù)值將通過(guò)LCD1602所顯示，在測(cè)得的距離超出程序中所指定的范圍時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲。超聲波信號(hào)通過(guò)52單片機(jī)P0.1端口發(fā)送到超聲波發(fā)射電路。

超聲波測(cè)距儀整體系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分的設(shè)計(jì)主要包括最小系統(tǒng)，其又包含含時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、供電電源和接地端等電路；顯示電路與超聲波電路等。超聲波電路里包括超聲波發(fā)射電路與超聲波檢測(cè)接收電路。根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適的硬件進(jìn)行焊接與測(cè)試。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)距儀的重要之處在于對(duì)距離的精準(zhǔn)測(cè)量，然后再經(jīng)過(guò)單片機(jī)來(lái)解決測(cè)量的數(shù)據(jù)。在距離上，包含溫度等多樣的信號(hào)都對(duì)速度存在一定的影響。超聲波的超聲信號(hào)接收電路的兩個(gè)階段：第一波信號(hào)傳輸探頭時(shí)注入信號(hào)后，超聲波接收端收到超聲信號(hào)，其實(shí)就是超聲發(fā)射信號(hào)。另一波信號(hào)的有效信號(hào)，在碰到阻礙之后立刻反射回來(lái)。由單片機(jī)計(jì)數(shù)功能完成對(duì)發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間的記錄，接著利用數(shù)據(jù)來(lái)算出距離。有效信號(hào)需要檢測(cè)回聲反射對(duì)象，因此要防止檢測(cè)到其他響應(yīng)。超聲發(fā)射超聲信號(hào)直接對(duì)信號(hào)接收探頭的影響，主要原因是同時(shí)測(cè)量測(cè)量盲區(qū)超聲波信號(hào)的發(fā)生。

超聲波接收電路接收到超聲回波后送到HC-SR04集成電路模塊對(duì)超聲波檢測(cè)塑造，并將一個(gè)有效的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)利用變更內(nèi)部響應(yīng)來(lái)將回波信號(hào)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行記錄。端口接收到返回響應(yīng)后，停止時(shí)鐘運(yùn)行，讀取數(shù)值。主程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3 小結(jié)

超聲波在生活中用處很大，聲吶探測(cè)、倒車?yán)走_(dá)等等，無(wú)一不體現(xiàn)出它的不可缺少性。因此值得去多多研究與了解。本設(shè)計(jì)是建立在超聲波測(cè)距的原理上以STC89C52單片機(jī)作為核心，包含顯示模塊、報(bào)警模塊、測(cè)溫模塊等的一個(gè)儀器。超聲波模塊的發(fā)射端向障礙物發(fā)射超聲波，與此同時(shí)，STC89C52單片機(jī)中的定時(shí)器開(kāi)始定時(shí)計(jì)數(shù)功能。在檢測(cè)到超聲波模塊接收到回波信號(hào)后，STC89C52單片機(jī)停止定時(shí)計(jì)數(shù)。之后將STC89C52單片機(jī)記錄的兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，算出時(shí)間差，再與聲速相乘，得到的數(shù)值就是超聲波模塊與障礙物之間的距離本次采用的超聲波模塊的測(cè)量范圍為0.2厘米到500厘米，測(cè)量精度為毫米級(jí)別。此外，本設(shè)計(jì)在超聲波測(cè)距的基礎(chǔ)上加了一個(gè)報(bào)警模塊，安全范圍可通過(guò)按鍵設(shè)定。在安全范圍內(nèi)蜂鳴器物反應(yīng)，當(dāng)距離超出安全范圍時(shí)，蜂鳴器報(bào)警。

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀在測(cè)量時(shí)對(duì)障礙物表面有所要求，為保證能夠成功接收到反射回的超聲波，需要被測(cè)量物體的表面光滑平整。經(jīng)檢測(cè)，此測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量范圍在0.2 ～5米左右，最小顯示單位為0.01米，并且其線性度、重復(fù)性和穩(wěn)定性都很好，一般常用的測(cè)距需求均可以得到滿足。