單片機在運用于超聲波測試報警體系中的設計及其仿真研究①

王洪生

(硅湖職業技術學院 江蘇蘇州 215332)

超聲波檢測距離屬于一類非接觸式的測試技能，并不受到外部光線以及被測目標色澤等因素的影響，所以，超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應用。同時由于超聲波測距系統具有以上的這些優點，在汽車倒車雷達的研制方面也得到了廣泛的應用。

1 超聲波測距報警體系設計主要原理分析

根據圖1可知，單片機能夠接納超聲波所輸出的間距信號，且就該指標展開恰當的處置之后，能夠通過屏顯模塊同步地呈現出超聲波和障礙物間距。

依照我們的設定，單片機所傳遞出的是40kHz頻率的方波式信號。通過放大效應之后，經由超聲波發射器所輸出。超聲波的接收器裝置在接納到超聲波的信號之后，通過放大器的放大效應，通過鎖相環式電路展開檢波的處置之后，開啟單片機的中斷流程，檢測的時間是t。然后，經由軟件的編程處理之后展開判斷、運算，測試得到間距數值，且通過LED的相關數碼管加以屏顯。相應的原理圖示可參見圖2所示。

發射器在傳遞超聲波之后，其在空氣內的傳播速率為v，在其抵達被檢測的物體后反射再返回，并通過接收器所接納。整個往返的時間是t。通過如下流程展開運算，即檢測的距離L(m)數值為室溫狀態下聲速340（m/s）與感應時間參量t（s）之積除以2，即可計算出被檢測物體的具體間距數值。因為超聲波屬于一類聲波，它的聲速v和溫度參量存在著內在的關聯性，倘若溫度的改變并不明顯，那么能夠認定聲速處于基本恒定的狀態。倘若測距的精確度非常地高，那么須經由溫度的補償方式進行及時的修改。

圖1 超聲波測距報警體系內部連接情況圖示

圖2 超聲波測試距離儀原理圖示

圖3 超聲波測試報警體系硬件電路圖示

2 超聲波測試報警體系中硬件電路的設計

本體系所設計的硬件電路的掌控軸心為單片機，根據超聲波測試距離的原理可知，主要包括的模塊部分有：單片機、超聲波、藍牙、報警電路、溫度傳感、顯示電路以及電源電路等。此設備能夠同步地觀看和障礙物的間距，再者，在具體展開設計時設置單個具體的設定數值，若間距不足設定值時，便會立即傳出一串“滴、滴、滴”的警報聲，隨著間距愈來愈短，警報聲也變得愈來愈為急促。具體主要模塊可參見圖3所示。

單片機模塊的主要組成為：晶振電路、STC89C52 單片機和流程下載模塊等。單片機所采納的規格為STC89C52，它屬于一款8K規格的COM0S8微處理器，各項性能指標能夠滿足此體系運用。將P0口當作通用型的I/O口加以運用，應外部添加上拉式電阻設備。

至于藍牙所采納的為藍牙HC-06規格的模塊及其適配器。其中，下位機通過藍牙HC-06 模塊加以結合，再開通藍牙適配器設備的PC 客戶端就能夠完成配對。另外，此模塊在具體設計時，僅需配置如下的4條線即可：VCC所配接的為是+5V規格的電源；GND和地相接；TXD 屬于發送端，和單片機中的P3.1引腳連接；RXD屬于接收端，和單片機中的P3.0引腳連接。

所采用的HC-SR04超聲波模塊涉及到控制電路、超聲波發射器以及接收器，能夠完成2～400cm規格的非接觸式測試，因此，實施3個共陽極LED數碼管實時掃描并同步顯示即可，該設備采納P0 口內的P0.0、P0.3、P0.6當作數碼管位挑選信號，所有的P2 口當作數碼管段進行信號的選擇。另外，溫度指標在超聲波傳遞速率時會發生一定的影響，出于提升體系測量精度的目的，應做好溫度的采集工作，傳感器的型號使用的是DS18B20，它的硬件設備接口較為簡易化，性能平穩，除卻和VCC 以及地表相連之外，僅需一根接口線和單片機中的P3.4引腳連接起來。

3 超聲波測試報警體系軟件設計

在設計系統軟件時，采納的是模塊化的設計方案，主要涉及到主流程的設計、T0中止服務分流程、外界中止服務分程序、間距計算分流程、LED屏顯分流程設計等方面。主流程第一步是初始化處理體系環境，設計定時器T0的工作范式是16位的定時計時器范式。置位總中止同意位EA且替屏顯端口P0與P2清除為0。

其次，借助于超聲波輸出分流程傳遞出單個超聲波的脈沖。出于規避超聲波由發射器裝置直接地傳輸至接收器而導致直射波的觸發目的，因此，應延遲時間大概0.1ms，其后打開外部中斷0接納返歸了的超聲波信號。

在測試好間距值之后，把結果以十進制BCD碼的途徑傳遞至LED屏顯時間大概為0.5s，接著，發出超聲波脈沖，反復進行測試。出于優化流程的結構以及易于運算出間距值，主流程采納的是C語言展開編寫。

4 超聲波測試報警體系中小車避障礙物模塊的設計研究

在設計規避障礙物模塊時，采納的是超聲波傳感器設備，從而達到智能化避障的目的。由于超聲波自身的頻率并不低，且指向性明確，它的測距主要原理如下：根據實驗數據表明，空氣中超聲波的傳播速率為340m/s，當超聲波在發射之后，其在具體傳播時碰到障礙物時會出現反射的現象。檢測超聲波在發射與接收過程的時間差，就能夠運算出所發射之點在碰到障礙物時的現實間距。因而，可以于車身之前處安置單個HC-SR04規格的超聲波，借助于超聲波測距性能，小車可以對前方擋路的障礙物產生感應現象，且可以在間距障礙物確定的距離時，及時地剎車。針對障礙物所處的具體方位而做出相應的反應。比如，障礙物處于左側，小車就往右側拐；又如，處于右側則往左側拐，達到規避障礙物的目的，遵從既定的線路線保持正常的運行狀態。

相關的測距流程和原理如下：借助于單片機I/O口替TRIG端口處提供單個10μs規格的高電平脈沖式觸發信息，模塊智能化地傳遞8個數量的40KHz規格方波，且測試是否發生回波型信號；倘若測試到了回波型信號，那么ECHO 端即會傳遞出單個高電平，且高電平的持續性時間即為超聲波由發射至返回的時間t。若ECHO端所傳出的為高電平之際，單片機啟動定時計數器，在輸出了低電平后終止計時后，基于流程情況記取的具體時間值t，并測試距離，相應的計算函數式為（340*t）/2m。

5 超聲波測試報警體系仿真分析

在借助于proteus展開仿真流程時，軟件內因為并無超聲波傳感器展開仿真模型的計算，從而導致對所設計的電路進行硬件電路與軟件設計的可行性證實過程制造了不應有的難度。出于證實設計的電路是否與要求相吻合的目的，借助于555時基電路組建單個單穩態式觸發器。通過單片機P2.7傳遞出超聲波信息之后，單穩態式觸發器發出延時性的信號，從而仿擬超聲波由輸出之后碰到障礙物再返回后的過程，根據該過程所耗費的時間調控滑動變阻器的位置，等同于調控遲滯性時間情況，對超聲波傳感器所搜集的信號進行模擬操作。

當按下開關鍵時對超聲波的間距警報值進行重新設置，例如，假設警報電路中的K1和K2開關，每當K2按下時，數字同步增加1。同時設置安全間距的min值為1m。當示波器所搜集到從傳感器所輸出的信號后，設置第一個信號是P2.7所傳遞出的超聲波信號，開啟計時器的第4個信號p3.5輸出超聲波的信號，開啟計時器的第4個信號，p3.5則變成高電平，在接收了返回信號后變成低電平?；诟唠娖竭B續性時間即能夠運算出具體的距離值。

6 結語

本文主要基于STC89C52規格的單片機當作控制的軸心，借助于紅外線測試技術展開軌跡的跟蹤過程，運用超聲波傳感器工具展開智能化規避障礙物的設計。在闡明超聲波測距報警體系主要原理的基礎上，依次闡述超聲波測試報警體系中硬件電路和軟件的設計情況，設計超聲波測試報警體系中避障礙物模塊情況，具體實驗超聲波測試報警體系仿真情況。