基于LPC2136微控制器的超聲波測距儀設計

李力 馮軍軍 陳新華

摘要：在現代社會生活中，電子測量是一種很常用的測量技術，其中超聲波測距由于其使用方便、精確高、成本低、性能穩定，因此成了一種使用范圍最廣的測距方式。文中闡述了使用超聲波測距的原理和系統整體設計方案，以及系統的硬件和軟件組成，基于LPC2136微控制器設計了一款同時具有顯示和語音提示功能的超聲波測距儀。

關鍵詞：超聲波;超聲波測距;超聲波測距儀;微控制器;LPC2136

中圖分類號：TP312 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）23-0257-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Ultrasonic Ranging Instrument Based on LPC2136 Microcontroller

LI Li，FENG Jun-jun，CHEN Xin-hua

（Department of Information Engineering， Sichuan Vocational College of Information Technology， Guangyuan 628017， China）

Abstract： In modern social life， electronic measurement is a very common measurement technology， in which ultrasonic ranging has become the most widely used method because of its convenient use， high accuracy， low cost and stable performance. This paper describes the principle of ultrasonic ranging and the overall design scheme of the system， as well as the hardware and software composition of the system. Based on LPC2136 microcontroller， an ultrasonic ranging instrument with display and voice prompting functions is designed.

Key words： Ultrasonic; Ultrasonic ranging; Ultrasonic ranging instrument; Microcontroller; LPC2136

隨著經濟的不斷發展、社會的迅速進步，很多場合都需要用到電子測量技術，如海洋測量、雷達、倒車防撞、機器人接近覺、建筑工地等。

非接觸式測距主要是利用電子波或聲波進行測距，如激光、毫米波、超聲波、紅外線測距等[1]，其中超聲波受光線、色彩、電磁場變化的影響小[2]，和其他非接觸式測距方法相比，更適在光線弱、電磁干擾強的環境中使用[3]，其原因是它，除此之外還具有易維護、安全、壽命長等特點，因此被廣泛使用。另外，超聲波的波速大約是光速的1/106，傳播速度慢，傳播時間更容易被檢測。其次，超聲波傳播時能量消耗緩慢，更適用于較遠距離的傳播[4]。雖然環境溫度會影響超聲波的傳播速度，但是可以通過公式修正超聲波波速，從而提高測量精度以達到工業應用的要求[5]。再者，超聲波距離計算方法簡單且使用方便[6]。

本文詳盡地分析了超聲波測距的原理、系統組成和硬件構成，基于LPC2136微控制器設計了一款可以進行溫度補償的超聲波測距系統。

1 超聲波測距原理

超聲波頻率大于20KHz[7]，其特點是頻率越高，反射能力越強，因此可以制作超聲波傳感器[8]。超聲波傳感器是一種能量轉換裝置，它有兩極——超聲波發送極和接收極，其中發射將電能轉換成機械能，相反接收極將機械能轉換成電能[9]。

如圖1所示，L為測量距離，H是超聲波裝置兩極（超聲波接收和發射）間距離的1/2，S為超聲波裝置發射極到障礙物的距離，如果超聲波傳播時間為t，波速為c，則S=ct/2。

由圖可知測量距離[L=S2-H2=ct22+H2]，在整個公式中c和H都是已知條件，要計算機L，只需測量超聲波傳播時間t。t測量方法為，超聲波裝置發送超聲波時開始計時，接收到障礙物反射回來的超聲波時結束計時，這個時間間隔就是超聲波在介質中的傳播時間t。在測量精度要求較高的場合還要考慮環境溫度對超聲波波速的影響[10]，環境溫度T和超聲波波速c之間的關系一般為：c=331.6+0.6107×T;若測量精度要求不高，可以認為c=340m/s[11]。

2 系統總體設計方案

如圖2所示，整個系統由主控制模塊和多個子功能模塊組成，子功能模塊主要包括：按鍵中斷子模塊用于完成系統功能設置、顯示模塊用于呈現環境溫度和距離檢測結果、溫度檢測模塊用于檢測環境溫度、報警模塊用于提示極限距離、超聲波測距模塊用于測量超聲波裝置到障礙物的距離、語音模塊用于播報測量距離。

其中微控制器選用的是ARM7的嵌入式芯片LPC2136，超聲波測距模塊選用的是US-100模塊，語音模塊選用的是ISD4004語音芯片，極限報警模塊選用的是LM386音頻放大器，溫度檢測模塊選擇的是DS18b20溫度傳感器，顯示模塊選用的是LCD1602字符型液晶。

2.1 微控制器及外圍電路設計

在本設計中，系統的主控芯片選擇的是LPC2136。LPC2136是PHILIPS公司生產的32位ARM7TDMI-S微控制器。其特點是：功耗低、抗干擾能力強、命令執行效率高且封裝小[12];分別有32KB的片內靜態RAM和256KB的Flash程序存儲器用于完成命令執行過程中數據和程序的存儲[13];47個通用I/O口，2個串行接口，9個外部中斷，可以同時連接多個外設[14];2個32位定時/計數器，用于定時和計數[15]。

2.2 US-100超聲波測距模塊

為了自動校正環境溫度對測量測距的影響，US-100自帶溫度傳感器;其測距范圍為2cm～4.5m;通信方式有GPIO、串口等;為保證程序的可靠運行，US-100內帶看門狗;工作環境溫度為-20～+70℃，電壓輸入范圍為2.4～5.5V，靜態功耗低于2mA，性能可靠。

2.3 LCD1602液晶顯示器

LCD1602每行16個字符模塊，總共兩行。其可以顯示數字、字母和符號。每個模塊都是一個5×11或5×7的點陣，模塊間有一個點的距離[16]。LCD1602的最大缺點是不能顯示圖形。

2.4 ISD4004語音芯片和LM386音頻功率放大器

ISD4004是很常用的語音芯片，其特點是質量高、輸出的語音比較自然不會機械化。每個ISD4004芯片可錄音10萬次;8～16分鐘的錄放時間;工作電壓為3V;通信方式可以使用串行通信接口SPI或者Microwire;常用于便攜式語音設備中。

LM386音頻功率放大器，其特點是外接元件少、失真小、工作電壓范圍寬、功耗低等，常用于各種各樣的收音和錄音設備中。

3 軟件設計

本文中程序的設計選用的是keil uvision4軟件，編程語言選擇的是C語言。根據系統功能系統的程序主要由主控制程序和多個子程序組成。主控制程序是整個系統的核心，用于完成各種外設的初始化以及所有個子程序的調用。不同的子程序用于完成不同的子功能，如外部中斷子程序主要完成系統功能設置;語音采集子程序用于完成系統語音的采集;溫度采集子程序用于完成溫度的檢測;超聲波測距子程序用于完成距離的測量;顯示子程序用于實時顯示測量距離和環境溫度。語音播報子程序主要完成環境溫度和測量距離度的播報。

4 電路調試與結果

根據系統框架圖和選擇的硬件設備，繪制了電路圖并制版、焊接，從而設計了一種基于LPC2136微控制器的超聲波測距儀。在系統設計中使用ISD400語音芯片和LM386音頻放大器，用于完成語音的采集以及播放;使用US-100超聲波模塊完成了2cm～4.5m范圍內的高精確度距離測量;使用LCD1602液晶顯示器，實現了測量距離和環境溫度的實時顯示。經過測試，該系統測量效果良好、性能可靠，適用倒車輔助系統、移動機器人避障、工地施工等短距離測量。

參考文獻：

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【通聯編輯：梁書】