基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

袁龍超 李源卓

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司偃師市供電公司，河南 偃師 471900）

一、引言

（一）超聲波測(cè)距儀的研究背景

伴隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展欣欣向榮，超聲波在測(cè)距中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。但就目前的水平，人們使用的測(cè)距技術(shù)還十分有限。因此這是個(gè)蓬勃發(fā)展并有無(wú)限遠(yuǎn)景的技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)規(guī)模。超聲波具有一些獨(dú)有的特點(diǎn)，它的方向性強(qiáng)，再加上傳播時(shí)受介質(zhì)條件影響小，因此被用于超聲波測(cè)距，可以說(shuō)大多數(shù)測(cè)距方式都能通過(guò)超聲波實(shí)現(xiàn)。使用超聲波檢測(cè)通常比較迅速、快捷、算法簡(jiǎn)易、能夠及時(shí)控制。

人們?cè)诔暡ǖ难邪l(fā)方面投入了大量人力物力。在軍事方面尤為重要，海洋測(cè)距的聲吶可以作為某些武器的偽裝對(duì)象，潛水艇利用聲吶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)距；研制更適合與潛海工作相關(guān)的潛艇聲吶，可以解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；超聲波測(cè)距必定要與現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)電技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多功能測(cè)距。隨著正在進(jìn)步的測(cè)距技術(shù)，從單純的判斷功能到具有學(xué)習(xí)功能，最終具備創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)，測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。

（二）國(guó)外超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的現(xiàn)狀

國(guó)際測(cè)距的儀器表在很早采用機(jī)械的原理。隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，它正在向著機(jī)電一體化的目標(biāo)成長(zhǎng)，并且出現(xiàn)了很多衡量標(biāo)準(zhǔn)。在傳統(tǒng)的理論已經(jīng)滲透到了電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展的同時(shí)，其結(jié)構(gòu)有了很大的改良，功能有了很大的提高。從國(guó)外測(cè)距儀器發(fā)展的技術(shù)方向看，目前常用的新技術(shù)有距離測(cè)量和自動(dòng)化儀表設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試專(zhuān)用集成電路技術(shù)和表面安裝技術(shù)等。

（三）國(guó)內(nèi)超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的現(xiàn)狀

我國(guó)關(guān)于超聲波的大規(guī)模研究始于1956年。中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究所李茂山在《超聲波測(cè)距原理及實(shí)踐技術(shù)》中詳細(xì)地闡述了超聲波測(cè)距原理，也給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的具體框圖，并討論了影響超聲波測(cè)距精度的幾種因素。在該文中，他并未提到超聲波測(cè)距所需的一些具體實(shí)用電路，只給出了測(cè)距一般所需的電路名稱(chēng)，也沒(méi)有提及各種電路的匹配。

（四）超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的研究意義

目前超聲波的傳輸時(shí)間和在介質(zhì)中的傳播速度，是影響超聲波測(cè)距精度的主要因素，而兩者之間以傳輸時(shí)間影響為主，因此，為提高測(cè)距精度，減少傳輸時(shí)間的不確定性的方法被大多數(shù)文獻(xiàn)采用。

因?yàn)槌暡y(cè)距技術(shù)本身就是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光照強(qiáng)度、被測(cè)對(duì)象色澤等因素影響，與其它的儀器相對(duì)比更加衛(wèi)生、防潮濕、耐腐蝕性氣味氣體、耐高溫等特點(diǎn)，具有不污染、少維護(hù)、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波測(cè)距系統(tǒng)能夠應(yīng)用在車(chē)輛倒車(chē)?yán)走_(dá)、施工地點(diǎn)、機(jī)器人無(wú)障礙行走還有管進(jìn)長(zhǎng)度測(cè)量，工業(yè)井深等場(chǎng)所。所以超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研發(fā)有著實(shí)際意義。

二、總體設(shè)計(jì)

（一）方案確定

此次測(cè)距系統(tǒng)采用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法。工作原理：從超聲波發(fā)射器發(fā)射信號(hào)，到超聲波接收器收到信號(hào)，這兩者之間的時(shí)間為T(mén)，即為運(yùn)輸時(shí)間，再測(cè)出距離L。假設(shè)L是所要求的測(cè)量距離，T是往返的時(shí)間差，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為V，于是L=CT/2。超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。然后由單片機(jī)計(jì)算距離，輸送到數(shù)碼管顯示結(jié)果。

（二）總體設(shè)計(jì)

HC-SR04作為超聲波測(cè)距模塊，WT588D作為語(yǔ)音模塊，STC89C52單片機(jī)作為微處理器使用，采用共陽(yáng)極數(shù)碼管作為顯示模塊。HC-SR04集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波，一遇到障礙物就產(chǎn)生回波，會(huì)被接收電路模塊接收，STC89C52單片機(jī)統(tǒng)計(jì)出聲波傳輸所用的時(shí)間T，通過(guò)溫度補(bǔ)償，能夠精確算出待測(cè)距離，與此同時(shí)WT588D會(huì)播報(bào)當(dāng)前的測(cè)試距離，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換處理，再通過(guò)數(shù)碼管顯示。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

（一）單片機(jī)控制模塊

STC89C52單片機(jī)，具有測(cè)量速度快，功率損耗小，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。完全兼容傳統(tǒng)的STC系列單片機(jī)指令代碼，各個(gè)端口連接不同的電路器件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

（二）超聲波發(fā)射模塊

HC-SR04模塊的超聲波發(fā)射電路，單片機(jī)相連的部分均接有濾波電容，主要是起到通高頻阻低頻，通交流隔直流的作用，電阻值選用10k,主要是起到保護(hù)電路的作用。采用pnp型三極管，是因?yàn)槠浒l(fā)射結(jié)和集電結(jié)耐壓高，性能良好。

（三）語(yǔ)音模塊

WT588D性能優(yōu)良，使用方便，與51單片機(jī)有一個(gè)非常類(lèi)似的性能。。WT588D功能強(qiáng)大，這種芯片可以多次擦寫(xiě)。任何一種VioceChip WT588D軟件控制模式支持WT588D語(yǔ)音芯片的隨機(jī)替換，可以下載到SPI-Flash的信息。軟件操作方式具有簡(jiǎn)潔易懂的特點(diǎn)，綜合語(yǔ)音組合技術(shù)，極大的減少語(yǔ)音編輯時(shí)間。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件部分主要由數(shù)碼管段選定義，語(yǔ)音模塊定義，語(yǔ)音地址，1ms延時(shí)函數(shù)，小延時(shí)函數(shù)，三線(xiàn)發(fā)碼子程序，數(shù)碼位選函數(shù)，數(shù)碼顯示函數(shù)，超聲波測(cè)距程序，處理距離函數(shù)，定時(shí)器初始化，定時(shí)中斷服務(wù)程序，主函數(shù)等組成。匯編語(yǔ)言運(yùn)行時(shí)間快，但對(duì)于超聲波測(cè)距這種大程序，最好選用c語(yǔ)言編程。

（一）主程序

軟件主要由兩部分組成，主程序和中斷服務(wù)程序。主程序?qū)崿F(xiàn)工作的初始化、各路超聲波的發(fā)射和控制接收順序。

定時(shí)中斷服務(wù)子程序控制超聲波的發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序是進(jìn)行一些數(shù)據(jù)處理。

（二）外部中斷服務(wù)子程序

外部中斷服務(wù)子程序簡(jiǎn)而言之就是數(shù)據(jù)處理過(guò)程。外部中斷管腳檢測(cè)回波信號(hào)，如果有回波信號(hào)被接收，就進(jìn)入中斷服務(wù)程序。如果沒(méi)有回波信號(hào)，那么定時(shí)器溢出，外部中斷關(guān)閉，測(cè)距不成功。

結(jié)論

本次設(shè)計(jì)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的軟件和硬件的設(shè)計(jì)方案。基本能夠?qū)崿F(xiàn)該測(cè)距儀的功能：

1.距離精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位小數(shù)，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)距離。

2.8段數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示測(cè)出的距離，每隔3秒更新一次。

3、當(dāng)測(cè)出的距離超出量程時(shí)，8段數(shù)碼管不顯示距離，并且提示測(cè)量已超出量程。

此次設(shè)計(jì)的測(cè)距儀具有市場(chǎng)前景，滿(mǎn)足一定的市場(chǎng)需求，也可作為導(dǎo)盲人士的導(dǎo)盲儀使用，其規(guī)格不大，攜帶方便，能很容易的安裝在需要測(cè)量距離的位置。通過(guò)數(shù)碼管顯示距離，同時(shí)語(yǔ)音播報(bào)距離，這就可以方便人們的生活。