基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

董鋼 重慶工程學(xué)院電子信息學(xué)院

引言：隨著人們生活水平的提高，科技的不斷進(jìn)步，測(cè)速、測(cè)距在生活中應(yīng)用越來(lái)越多。例如，在交通方面，道路上會(huì)定點(diǎn)安裝測(cè)速的裝置，對(duì)車輛是否超速進(jìn)行檢測(cè)；汽車上也普遍裝了雷達(dá)，來(lái)對(duì)車輛周圍的物品進(jìn)行距離檢測(cè)，當(dāng)快要碰到的時(shí)候會(huì)發(fā)出警報(bào)。但是，生活中建筑的測(cè)量，家具的測(cè)量，房高的檢測(cè)這些方面，人們常常會(huì)使用軟尺等來(lái)測(cè)量。為了解決傳統(tǒng)的軟尺、直尺等在精確度，距離和測(cè)量環(huán)境的影響，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀。

在本系統(tǒng)中超聲波用來(lái)測(cè)量物體之間的距離。由于超聲波的頻率高于20kHz，實(shí)際生活中超聲波頻率越高，它的反射越強(qiáng)。利用這個(gè)特性設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，先發(fā)送高頻率的超聲波，當(dāng)接觸到被測(cè)物體時(shí)，發(fā)射回到接收器，通過(guò)往返的時(shí)間差，以及計(jì)算超聲波的衰減，根據(jù)一系列數(shù)據(jù)，得到被測(cè)物體的距離。

1 控制方案的確定

本系統(tǒng)主要由MSP 430 F 149 單片機(jī)控制，HC - SR04 超聲波傳感器檢測(cè)空氣中的超聲波，采用LCD 1602 液晶作為顯示控件。另外還包含有按鍵控制、蜂鳴器、電源等模塊共同組成了本系統(tǒng)。在系統(tǒng)的電路上設(shè)計(jì)合理，能夠滿足用戶在生活中和工業(yè)中實(shí)際的檢測(cè)，系統(tǒng)的運(yùn)行情況穩(wěn)定，檢測(cè)的結(jié)果準(zhǔn)確，操作方便。

本系統(tǒng)控制方式的選擇主要分為單片機(jī)采用芯片的選擇，報(bào)警方式的選擇，數(shù)據(jù)顯示的選擇，距離檢測(cè)方式的選擇。

C P L D是可編程的邏輯器件。C P L D的編程十分靈活，軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的周期相比其他的而言具有周期短，適用范圍相對(duì)較廣。C P L D的優(yōu)點(diǎn)是能夠同時(shí)進(jìn)行輸入輸出，這樣就可以提高系統(tǒng)的處理速度；缺點(diǎn)是它的功耗比較大，在本系統(tǒng)中沒(méi)有特別復(fù)雜的邏輯，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求也不高。從節(jié)能和資金方面考慮,C P L D不適用于本系統(tǒng)。

52單片機(jī)含有8字節(jié)的能夠編程也能清除的F lash 存儲(chǔ)器，而且它含有的C M O S 8位的微控制器，同時(shí)它的功耗也低，但是它的運(yùn)行速率太慢了，所以不適用于本系統(tǒng)。

第三種方案是采用美國(guó)德州儀器（TI）推出的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor）MSP430單片機(jī)，主要是針對(duì)實(shí)際方面的應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供一種混合信號(hào)處理的解決方案，即“單片”混合信號(hào)處理。M S P 43F149 是16位混合型的單片機(jī)，相對(duì)于其他單片機(jī)具有指令集精確簡(jiǎn)短，功耗低，可以在多方面延展使用，而且體積小，價(jià)格便宜。相對(duì)于其他單片機(jī)而言，M S P 43F 149更適合本系統(tǒng)，因此在本次設(shè)計(jì)中采用。

2 聲音報(bào)警電路方案的選擇

方案一：第一種方案是采用語(yǔ)音集成芯片ISD4004進(jìn)行報(bào)警，由于ISD4004需要擴(kuò)充喇叭驅(qū)動(dòng)電路，且其本身控制比較繁瑣、電路也比較復(fù)雜，穩(wěn)定性不好，噪音較大。基于以上考慮之后，所以放棄了此方案。

方案二：第二種方案是通過(guò)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警電路，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、性能可靠、穩(wěn)定性好等，最重要的是低成本，所以選擇方案二。

方案三：第三種方案是采用音樂(lè)芯片作為本系統(tǒng)的報(bào)警模塊，音樂(lè)芯片較其它而言，它的語(yǔ)音電路簡(jiǎn)單，音樂(lè)的產(chǎn)生是通過(guò)內(nèi)部振蕩電路產(chǎn)生。音樂(lè)芯片在語(yǔ)音集成中占著很重要的地位，而且在生活中的門鈴、賀卡、玩具、鬧鐘中經(jīng)常能夠看到它的存在。故選擇方案二。

3 顯示方案的選擇

方案一：采用L E D數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。L E D數(shù)碼管價(jià)格便宜，性價(jià)比也較高，并且采用動(dòng)態(tài)掃描與單片機(jī)連接，占用的接線端少，電路簡(jiǎn)單。但是顯示的內(nèi)容單一，故在本系統(tǒng)中不適用。

方案二：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣數(shù)碼管最常見(jiàn)的是8×8的二極管構(gòu)成。點(diǎn)陣能夠更好的的顯示文字。由于本系統(tǒng)是對(duì)距離的測(cè)量，基本上顯示的是數(shù)字，如果采用點(diǎn)陣的話有點(diǎn)浪費(fèi)，比較耗電，價(jià)格也不便宜。故在本系統(tǒng)中不適用。

方案三：采用L E D液晶屏顯示。L E D液晶屏是由單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，可以顯示數(shù)字、文字和圖片，并且顯示界面清晰、美觀，而且液晶顯示的程序簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。故選擇方案三。

4 距離檢測(cè)模塊的選擇

方案一：采用紅外線光電開(kāi)關(guān)。利用近紅外線和遠(yuǎn)紅外線來(lái)檢測(cè)物體，根據(jù)紅外線碰到障礙物反射的原理，對(duì)接收的紅外線進(jìn)行分析，判斷障礙物距離。但是，紅外光電開(kāi)關(guān)要在照明度高的環(huán)境工作，并且不能正對(duì)太陽(yáng)光、燈光等強(qiáng)烈光源。因此不適合本系統(tǒng)。

方案二：采用超聲波傳感器。超聲波在傳播時(shí)波長(zhǎng)較短，繞射的現(xiàn)象少，方向性好能夠定向傳播。超聲波傳感器是通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波遇障礙物返回，接收返回的超聲波進(jìn)行分析，得出距離。這樣測(cè)出障礙物的距離準(zhǔn)確性較高。

方案三：采用紅外測(cè)距傳感器。GP2Y0A21YK0F是測(cè)距傳感器單元，它是一種基于PSD的微型距離傳感器，其有效測(cè)距距離在10-80cm內(nèi)，并且有效的測(cè)量角度必須要大于40度，以模擬電壓為輸出信號(hào)，在0-8cm內(nèi)于Juin成正比非線性關(guān)系，在10-80cm范圍內(nèi)成反比非線性關(guān)系，其平均功耗約為30mA，反應(yīng)時(shí)間約為5ms，并對(duì)背景光和溫度的適應(yīng)性較強(qiáng)[2]。雖然紅外傳感器的價(jià)格便宜，但是測(cè)量的精度準(zhǔn)確性低，測(cè)量的距離較近，程序復(fù)雜，因此不適用于本系統(tǒng)。故選擇方案二。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)為基于MSP430F149單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀，最初設(shè)定的預(yù)期測(cè)量范圍在2厘米到6米，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的多次記錄和分析，即對(duì)硬件進(jìn)行調(diào)試，對(duì)電路進(jìn)行測(cè)量，以及進(jìn)行相應(yīng)的校準(zhǔn),最終得到的結(jié)論是：測(cè)量范圍在2厘米到5米左右，并且2米到5米以內(nèi)有較高的測(cè)量精度，最大誤差在3厘米。總體來(lái)說(shuō),各部分功能穩(wěn)定，該測(cè)距儀還是達(dá)到了有效的測(cè)距功能和目的。通過(guò)多方面的分析，造成本設(shè)計(jì)不足的原因主要有以下幾點(diǎn)：A：電路之間的干擾較大。B：超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)受到衰減。C：溫度對(duì)測(cè)距儀的功能有影響，在某些溫度下超聲波測(cè)距儀的測(cè)距功能還不能達(dá)到。

由于時(shí)間有限，并且超聲波測(cè)距儀本來(lái)就很難達(dá)到中遠(yuǎn)距離的測(cè)，但是在以后可以通過(guò)更多的時(shí)間去不斷地研究，盡可能的增大它的測(cè)量范圍，如提高驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的脈沖電壓幅值，使電/聲轉(zhuǎn)換更以達(dá)到一個(gè)更好而水平，從而使發(fā)射超聲波的能力更強(qiáng)；另外還可以對(duì)電路不斷進(jìn)行完善，以減少信號(hào)線之間的相互干擾等。

超聲波測(cè)距儀是一種十分新穎的被動(dòng)式的超聲波探測(cè)器，可以有效的探測(cè)出前方物體的距離，其成本低，操作簡(jiǎn)單，作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，為我們的工業(yè)帶來(lái)極大的效益，并且它還有許多潛在的發(fā)展空間，在未來(lái)必將并擁有寬闊的前景。