基于單片機的超聲波測距儀設計

□ 席雪君 蘇圣超

一、引言

傳統的超聲波汽車倒車測距儀是在常見的汽車倒車預警裝置的基礎上采用計算機控制技術和超聲波測距技術研制出來的，它解除了駕駛員泊車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，提高了駕駛安全性。超聲波作為一種非接觸的測量方式［1～3］，包含以下的優點:高性能、結構簡單、可控性好、易開發等，同時它在深海探測、汽車倒車雷達等領域具有廣泛的用途。但不同的溫度環境對超聲波測距精度有較大的影響，溫度平均每變化1℃的會使聲速變化0．607m/s。選取C8051F作為測距系統的核心，采用溫度補償的方法，用溫差來補償聲速，從而提升超聲波測距系統的精度。為了克服超聲波測距系統中環境溫度波動對系統的測距造成的誤差，采用了溫度傳感器DS18B20［4］實時采集溫度數據，當環境溫度變化時，溫度傳感器DS18B20測量溫度，根據溫度值與超聲波對應的關系采用計算機及時修正波速，以糾正溫度的變化引起超聲波測距系統產生的誤差。

二、硬件設計

根據設計要求并綜合各方面因素，選取C8051F單片機作為主控制器，設計一種精度較高的超聲波測距儀。同時在超聲波測距基礎上通過增加溫度傳感器對超聲波測距進行補償，達到更高精度，進一步保障行車駕駛的安全性。

圖1 汽車倒車測距儀電路原理圖

通過單片機的定時器和計數器產生超聲波驅動信號。超聲波測距系統硬件［4］主要有:發射部分電路、接收部分電路、溫度感應電路、內部控制部分、數字顯示部分。工作流程:測距開始，測距系統向發射電路輸出脈沖信號，隨即關閉發射信號，計數器打開并開始計時，使計數器與實際測距時間同步;當所有脈沖都被接收到后，計數器停止計數，得到時間t，由公式S=vt/2計算出測得的距離S，經溫度T補償后超聲波的實際波速計算公式為:v=331．5+0．607T，最后得到測距公式:［2］S=(331．5+0．607T)*t/2。最后藉由 TFT顯示屏，實現數字顯示，如圖1所示。

圖2 溫度檢測電路圖

圖2為改進后的溫度檢測電路，溫度的測量采用DS18B20傳感器，其抗干擾能力強、精度高、測量范圍寬。P1．3接溫度傳感器的數據總線，用來控制數據的傳輸并進行溫度轉換。在總線電路上接上拉電阻，使得P1．3在溫度轉換期間變為低電平。溫度值、溫度轉換指令、讀寫指令都是通過數據總線來實現控制器與溫度傳感器之間的交互。

三、軟件設計

圖3 主流程圖

圖3為主流程圖，包括:中斷服務程序、溫度測量、距離計算、顯示等子程序。開機后屏幕上先顯示“－－－－”，約0．5s的亮燈和發聲之后，測距儀開始工作。T0為計時器，記錄超聲波從發射到接收的時間間隔t(單位為ms)。程序先進行系統初始化的操作，隨后觸發溫度檢測程序測量現場環境溫度，由公式v=331．5+0．607T算出經由溫度補償后的波速后，然后再觸發超聲波程序，發出超聲波脈沖，當主程序確認接收到所有超聲波脈沖后，立即產生INT0中斷，定時器T0停止計時。將T0中的數代入公式S=vt/2計算，完成測距操作。需要指出的是，t為計時器T0的計數值，v為經由溫度補償后現場的實際波速，T為溫度傳感器測得的實際溫度，最終測得的距離由液晶TFT液晶屏顯示出來。

四、結語

基于單片機的超聲波測距儀解決了超聲波由于溫度變化引起測距精度不高的問題，可以安裝在各種車型的尾部，用于觀察車后障礙物情況，功能良好。

［1］蘭羽，周茜．超聲波測距系統接收電路研究［J］．電子設計工程，2012，20(14):81 ～83

［2］蘭羽．具有溫度補償功能的超聲波測距系統設計［J］．電子測量技術，2013，36(2):85 ～87

［3］李建中．單片機原理及應用［M］．西安:西安電子科技大學出版社，2007

［4］何希才．傳感器及其應用電路［M］．北京:電子工業出版社，2001