基于單片機AT89S52的超聲波測距儀的設計與實現

孟凡宇

摘? 要：隨著現代工業技術的進步，古代沿襲的接觸式測距方式在某些特殊情景存在難以接觸目標的缺陷，例如，在進行深油井深度測距時工作人員難以直接接觸井底。該文針對接觸式測距的局限性，利用超聲波高精度、無損、非接觸等優勢，設計了一種基于單片機AT89S52的超聲波測距儀。

關鍵詞：超聲波? 測距? AT89S52? HC-SR04? LCD1602

中圖分類號：TP274.53 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0075-03

Abstract： With the advancement of modern industrial technology， the contact ranging method that was handed down in ancient times has the defect of being difficult to reach the target in some special work scenes. For example， when measuring the depth of deep oil wells， its hard for workers to directly reach the bottom of the well. In view of the limitations of contact ranging， this paper designs an ultrasonic range-finder based on single chip microcomputer AT89S52 by taking advantages of the high-precision and non-contact of lossless ultrasonic.

Key Words： Ultrasonic; Ranging; AT89S52; HC-SR04; LCD1602

1? 引言

1.1 課題研究的背景和意義

隨著時代的發展進步，接觸式測距逐漸展露弊端：極端工作環境（如化工廠液位測量、隧道長度勘測等），工作人員難以直接接觸測量目標，傳統的接觸式測距很難實現精準測量;另外，長距離下接觸式測距不能保證時效性，在要求實時測距的工作場合會影響工程進度，因此接觸式測距被非接觸式測距逐漸替代。非接觸測距是以現代科學中微波、電磁、傳感器等技術為基礎，結合電子設計產品進行不接觸被測目標而得到距離信息的方法，其中激光測距與超聲波測距作為現如今實現非接觸測距的兩種首要手段，在實際工作中發揮了很大作用，但由于激光技術要求高，制造激光發生設備花費十分昂貴，所以僅僅作為軍事測距手段不適于大規模推廣，相比之下超聲波測距憑借相對較低的技術難度與低廉的成本在民用市場脫穎而出。超聲波測距檢測迅速、方便、易于實時控制。與此同時，單片機技術作為一種新興的電子技術火速興起如日方升，能夠在穩定高效地完成任務的同時保證電子系統的安全性，且經濟適用。單片機無需占用很大的空間，通過使用科學的算法就可以充分發揮其強大的數據處理功能，這使得其在工業應用中的地位舉足輕重。

1.2 主要內容

該文在已有的理論知識基礎上，設計一種測距儀使用超聲波技術并利用單片機技術作為核心進行一定范圍內的距離實測。該系統使用超聲波測距模塊HC-SR04作為非接觸測距的實現手段，以單片機AT89S52為核心控制HC-SR04發出超聲波脈沖進行測距。考慮到溫度會影響聲波的傳播速度，系統設計有溫度檢測電路，選用溫度傳感器DS18B20進行溫度補償，減小測量誤差。同時，測距儀的顯示功能由LCD1602液晶顯示屏完成，顯示測距儀測距數據與空氣溫度數據。由于該系統測距范圍有限，配有蜂鳴器報警功能，提醒使用者超出測距范圍。

2? 系統概述

2.1 簡介

聲音是由于物體振動產生的，當振動頻率過高或過低超出人耳的聽覺范圍時人類將無法聽辨這種聲音，振動頻率超過20000Hz的聲波就是超聲波。聲音再空氣等介質中傳播，遇到障礙物會反射回來，這就是聲波的反射特性。如果已知聲波速度v，只需獲得聲波開始發射到返回結束的時間t，將數據帶入公式（1），就可以計算得到聲波傳播的距離D，這就是超聲波的測距原理：回聲探測法。該文所設計的超聲波測距儀在工作時，單片機會控制定時器產生觸發信號，使超聲波模塊HC-SR04的發射探頭發射超聲波脈沖信號，同時HC-SR04模塊接收探頭不斷檢測回波，當接收到反射回來的超聲波時記錄所用時間并將數據返回單片機，計算得到距離信息并在屏幕上顯示出來。

2.2 系統設計方案

出于低成本、高精度的目的，該文設計了一種基于單片機AT89S52的超聲波測距儀，采用AT89S52芯片控制定時器產生超聲波脈沖并計時，計算超聲波從發射至接收的往返時間，利用HC-SR04模塊測量距離，將距離數據傳給單片機，單片機對數據進行分析處理;選用溫度傳感器DS18B20檢測當前環境溫度，并在LCD1602上顯示距離、環境溫度信息，實現對距離實測;同時該系統設計了蜂鳴器報警電路，以保證在超出測量范圍時報警提醒。其中，超聲波測距儀的關鍵模塊包括HC-SR04超聲波測距模塊、單片機AT89S52最小系統、顯示模塊以LCD1602及數字溫度傳感器DS18B20。

3? 系統調試與分析

3.1 介紹

此章對基于單片機AT89S52的超聲波測距儀進行軟硬件聯調，包括系統Proteus仿真、硬件實現與測試分析。首先，在軟件Proteus 8 Professional進行系統電路的仿真，確保所搭建的系統電路和所編寫程序的正確性;其次，搭建硬件系統，將程序通過燒錄軟件AVR Fighter，使用ISP下載線燒錄進已經焊接好的硬件中;最后，對超聲波測距硬件系統進行測試與分析。

3.2 仿真分析

超聲波測距儀系統仿真電路如圖1所示。

運行仿真，可以看到圖1右上方的LCD1602液晶屏顯示出距離溫度信息“Temperature：25℃，Distance：209CM”，如圖2所示。

3.3 硬件調試與分析

系統開機后，超聲波測距儀正對墻壁，初始測量數據顯示為“Temperature：27℃，Distance：068CM”。與測量尺測量結果進行對比，如圖3所示。

4? 結語

該文所設計的基于單片機AT89S52的超聲波測距儀主要包括單片機最小系統、HC-SR04超聲波測距模塊、驅動顯示電路及報警電路和溫度檢測電路4個部分。該文所設計的基于單片機AT89S52的超聲波測距儀，硬件模塊和系統程序在經過多次的修改和調試后可以實現距離和環境溫度的實時檢測與顯示，并在測量距離超過所設量程時報警，測量距離范圍可以達到0.02～4m、測量精度為0.01m。通過對環境溫度的實時檢測，提高了測量數據的精確度，實現了利用超聲波測距原理測量距離并且將距離信息顯示在LCD1602屏幕上。因此，系統的設計與測試達到了預期目標，滿足了系統設計需求。

參考文獻

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