基于Arduino的簡易超聲波測距儀系統設計

摘 要：超聲波測距儀主要由測距模塊，顯示模塊，語音報警模塊以及掃描裝置的驅動模塊構成，利用Processing為本次設計的掃描裝置的開發環境，并結合Arduino等硬件設計實現上、下位機交互系統。對已搭建的測距系統進行了實驗調試，并對實驗結果進行了分析。結果表明所設計的超聲波測距儀簡易、可行，具有實用價值。

關鍵詞：超聲波測距；Arduino；掃描；語音報警

一、引言

超聲波測距相對于其他測距方式具有測距精確操作簡單等一系列特點，所以其在日常生活中有廣闊的發展空間[1]。整個測距儀系統分成兩部分，包括51單片機等模塊組成的測距電路，和Arduino UNO R3開發板等模塊組成的掃描裝置。

二、硬件系統設計

（一）硬件構架

本系統主要包括EM78P153開發板、顯示模塊、CLB-LDV7語音識別模塊、超聲波測距模塊、SYN6288語音合成模塊、SG90舵機云臺以及Arduino UNO R3開發板。

（二）主控選擇

超聲波測距儀主控選擇EM78P153開發板，其性能穩定，功耗小，價格低廉，內部集成RAM、ROM、計數器以及定時器等資源，使用方便[2]。

（三）數碼管顯示電路設計

該超聲波測距儀使用數碼管顯示電路包括51單片機最小系統、四位共陰極數碼管以及74HC138譯碼器，如圖1所示。

（四）語音識別模

該語音識別模塊作為整個系統的核心控制模塊，對于測距儀的啟動、暫停、停止以及報警功能起著至關重要的作用。該模塊采用的主控MCU為STC11L32XE單片機，語音識別功能采用LD3320語音識別芯片。

將該語音合成合成模塊可與STC11L32XE單片機模塊之間通過一個標準串行UART串行通訊的接口相連接。當STC11L32XE單片機接收到主板上51單片機溢出中斷信號后，便向SYN6288語音合成芯片發送控制命令和文本，隨后該芯片會將接收到的文本合成語音信號輸出，再經過功率放大器輸出，最后由喇叭播放：“警告無法測距”。

（五）掃描裝置的設計

掃描裝置是由Arduino UNO R3開發板、SG90舵機云臺和超聲波測距模塊組成。

超聲波測距掃描程序使用4個arc描繪了4個扇形，7個line描繪了7個角度線。舵機轉角控制利用PWM占空比改變舵機旋轉的角度，20ms接收一次時基脈沖信號，當高電平時間為0.5ms時，舵機為0°；高電平時間為1ms時，舵機為45°，以此類推。將Arduino UNO R3連接到電腦上，由舵機云臺帶動超聲波測距模塊一起轉動并檢測周圍是否由障礙物出現，如果有障礙物，面板上的綠色實線會變成紅色。

三、EM78P153單片機程序設計

EM78P153單片機作為處理核心的觸發信號輸入端，當它收到51單片機發出一個最小10μs的高電平信號后，其發出40kHz方波，經LMC6034IM放大處理，由超聲傳感器轉化為40kHz聲波。聲波反射后被另一個瓷超聲傳感器接收，再經EM78P153處理后，由回響信號輸出端發出一個高電平信號反饋給51單片機，從發出高電平信號時開始計時，在收到高電平信號后結束計時，兩個信號之間的時間間隔就是超聲波的傳播時間[3]。因此，計算距離的方法為（高電平時間*340m/s）/2。如圖2所示，為語音控制超聲波測距程序流程圖。

四、控制系統上位機設計

上位機模塊采用Processing為本次設計的掃描裝置的開發環境，其界面簡潔，包括一個主要工作窗口，以及作品展示窗口[4]。開發環境是由一個簡單的文本編輯器來編寫代碼，提供了常見的操作按鈕的工具欄、信息區、文本控制臺、選項卡，以及一系列菜單來管理文件。軟件的使用處理的書面文件被稱為草圖，這些草圖都寫在文本編輯器，編輯器對功能進行切割、粘貼和搜索、替換文本。消息面給出反饋并顯示錯誤。控制臺顯示文本輸出處理程序，給出println程序完整的錯誤消息和文本輸出函數。工具欄按鈕允許您運行和停止程序，創建一個新的草圖、打開、保存和導出。上位機的PC終端模塊主要由通信、解碼和輔助模塊組成。

（一）實驗結果

基于單片機的超聲波測距儀實物模型中，包含測距模塊，顯示模塊，語音報警模塊以及掃描裝置的驅動模塊。實物如圖5所示。

五、總結

該超聲波測距儀由SYN6288單片機作為控制主板，代碼使用C語言編寫的，屬于開源代碼，參照各種代碼片段進行驗證實驗，提高了設計效率。程序下載時，使用數據線接口連接USB和單片機端口，結合Arduino IDE平臺自動上傳程序至單片機，完全無需搭配其他傳輸軟件。該書法機器人更具智能化、集成化、小巧靈活性，并且穩定性更好。

參考文獻：

[1]劉卓婭. 基于STC89C52的無線超聲波測距系統的研究與設計[D].華南理工大學，2017.

[2]毛鵬，范蓉蓉，孫亮亮.遠距離非接觸式超聲測距機器人研制[J].信息技術，2015（02）：61-63+68.DOI：10.13274/j.cnki.hdzj.2015.02.017.

[3]李艷杰. 基于HT46F49E的超聲波測距系統[D].長安大學，2011.

[4]田文成. 超聲波測距系統的研究與實現[D].南京郵電大學，2017.