基于單片機的超聲波測距系統設計

摘要：文章根據超聲波特征及測距原理，運用單片機和分體式超聲波傳感器設計了一款包括發射模塊、接收模塊、溫度補償模塊、顯示模塊和單片機外圍電路的簡單超聲波測距系統。在3 m范圍內對系統進行經多次測試，其結果表明該超聲波測距系統精確度高，工作穩定。

關鍵詞：單片機；超聲測距；溫度補償

中圖分類號：TM41 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）26-0016-02

超聲波是一種頻率大于20 kHz具有方向性好、指向性強、傳播能量大、遇到雜質或界面時會產生反射波等特點的機械波。運用超聲波測距能避免光線、顏色以及電、磁場的干擾，完成傳統測距技術難以實現的液面，井下等非接觸式測量。為此，超聲波測距技術已被廣泛應用于工業控制、勘探測量、海洋測量等領域，而關于超聲波測距系統的研究也在不斷發展。本文運用單片機設計一款結構簡單、通用性強、可靠性好、操作靈活的超聲波測距系統。

1 超聲波測距的原理

2 超聲波測距系統的設計

2.1 超聲波測距系統硬件的設計

本超聲波測距系統采用低功耗，高性能，集成了ISP Flash存儲單元的CMOS 8位單片機AT89S52為處理器；采用T/R40中心頻率為40 kHz，最大輸入電壓為20 V的超聲波傳感器為接受發生器。根據AT89S52的結構和超聲波傳感器T/R40的性能參數設計了由驅動電路和發射傳感器組成的發射模塊，由濾波、放大、比較電路組成、接收傳感器組成的接收模塊，由溫度傳感器構成的溫度補償電路，由數碼管構成的顯示電路。其整體結構如圖1所示。

2.1.1 發射電路的設計

本系統根據NE555P多諧振蕩器工作原理，選用適當外圍電子元件設計了一個可產生40 kHz方波的超聲波發射傳感器驅動電路，其電路如圖2所示。

2.1.2 接收電路的設計

LM339和一個上拉電阻構成檢測電路將放大器輸出的正弦信號轉化為單片機能識別的方波信號，并通過信號輸出管腳13傳送給AT89S52的P3.2腳以發出計時中斷信號。

2.1.3 溫度補償電路

2.1.4 顯示電路

顯示電路由5個LED數碼管和一些驅動三極管、電阻與AT89S52連接而成如圖4，它可以顯示溫度，超聲波傳播時間和測量的距離，其電路圖如圖4所示。

2.2 超聲波測距系統軟件設計

根據超聲波測距系統的硬件結構，采用模塊設計方式設計了包括主程序、超聲波發射子程序、測溫子程序、計算子程序、數碼顯示程序、外部中斷程序和計數器中斷子程序的超聲波測距系統軟件，程序流程如圖5所示。

超聲波測距系統是通過按鍵控制其工作流程：系統上電后，設置定時器T0為工作方式2，顯示端口和P3.5口清零；按鍵1系統工作指示燈亮，開始測量溫度并觸發NE555振蕩電路發射超聲波；當工作指示燈熄滅，測量工作結束按鍵2則可輪流顯示時間、距離和溫度。

3 實驗測試

在3 m范圍內運用該超聲波測距系統對恒溫和變溫室條件下的平面物體進行測試，其測量距離、實際距離及相對誤差結果如表1所示。

由實驗結果可以看出在3 m范圍內本超聲波測距系統測量結果的相對誤差小于1.5%，并且由于系統進行了溫度補償使測量結果的準確度不會受溫度變化的影響。

4 結 語

由于本超聲波測距系統在3 m范圍內的測試結果精確、穩定，并且系統硬件電路簡、軟設計嚴謹簡潔、操作簡單，可以用于多種位移和距離測量。

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