基于HC-SR04 模塊的高精度超聲測(cè)距系統(tǒng)

王永彬

（臨沂科技職業(yè)學(xué)院，山東 臨沂 276000）

在實(shí)際生產(chǎn)和生活中，經(jīng)常需要對(duì)距離（位置）進(jìn)行測(cè)量，以進(jìn)行距離的直接提示，或者以距離為參量進(jìn)行其他物理量的計(jì)算和控制，比如計(jì)算物體的速度。測(cè)量距離的方法有很多種，總體上看有直接測(cè)量法（如利用尺子測(cè)量）和間接測(cè)量法（如激光測(cè)距、紅外線(xiàn)測(cè)距、超聲波測(cè)距等）2 種。由于超聲波波束定向指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播時(shí)能量損耗比較小[1]，特別是在空氣、水中傳播能達(dá)到較遠(yuǎn)的距離，因而適合利用超聲波的這一特性進(jìn)行距離的測(cè)量。利用超聲波測(cè)距的特點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程迅速和方便，并且計(jì)算簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，因此被大量應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合，比如汽車(chē)的倒車(chē)?yán)走_(dá)、移動(dòng)機(jī)器人的位置確認(rèn)等，都是超聲波測(cè)距方式的典型應(yīng)用。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距原理是利用超聲波換能器的發(fā)射裝置發(fā)出一定頻率的超聲波，超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)有反射波反射回來(lái)并被接收器接收，利用從發(fā)射到接收的往返時(shí)間差就可以進(jìn)行距離測(cè)量，這與無(wú)線(xiàn)電雷達(dá)的測(cè)距原理很相似。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：超聲波模塊的發(fā)射器向要進(jìn)行測(cè)距的特定方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射開(kāi)始的瞬間同步開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果沒(méi)有障礙物，超聲波在空氣中會(huì)向前自由傳播，當(dāng)途中碰到障礙物阻擋時(shí)則會(huì)立即被反射回來(lái)，當(dāng)反射波到達(dá)接收器時(shí)就立即停止計(jì)時(shí)操作。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值知道超聲波在空氣中的自由傳播速度約為340 m/s，假設(shè)計(jì)時(shí)器記錄的超聲波發(fā)射和接收時(shí)間差為t（單位：s），這樣就能計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離S（單位：m），計(jì)算公式為S=340×t/2。此外，當(dāng)測(cè)量精度要求較高時(shí)，還需要充分考慮到溫度對(duì)超聲波速度的影響，當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)超聲波速度是332 m/s，20 ℃時(shí)是344 m/s，30 ℃時(shí)是350 m/s，這樣就可以根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行超聲波測(cè)距的溫度修正。

2 超聲波測(cè)距硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 核心測(cè)距傳感器

本系統(tǒng)采用市面上已成熟量產(chǎn)的HC-SR04 型集成超聲波傳感模塊作為核心測(cè)距傳感器。

模塊總體功能介紹：該模塊可提供2～450 cm 距離范圍的非接觸式測(cè)量功能，測(cè)度距離精確，精度高達(dá)3 mm，性能穩(wěn)定，能與國(guó)外的SRF05、SRF02 等超聲波測(cè)距模塊相媲美。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，可廣泛應(yīng)用于距離測(cè)量、機(jī)器人避障、防盜報(bào)警裝置等。

工作原理：①給超聲波模塊通電源。②給脈沖觸發(fā)引腳（Trig）輸入一個(gè)維持時(shí)間不短于20 μs 的高電平信號(hào)。③輸入高電平觸發(fā)信號(hào)后，模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)射8個(gè)連續(xù)的40 kHz 頻率的超聲波信號(hào)，與此同時(shí)回波信號(hào)（Echo）端的電平同步發(fā)生正跳變，即由0 變?yōu)?，此時(shí)立即同步啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。④當(dāng)反射超聲波被模塊接收到時(shí)，回波信號(hào)端的電平會(huì)發(fā)生負(fù)跳變，即由1 變?yōu)?，此時(shí)接著立即停止定時(shí)器計(jì)數(shù)，定時(shí)器中保存的這個(gè)時(shí)間差即為超聲波由發(fā)射到返回的總時(shí)長(zhǎng)，它在數(shù)值上等于2 倍的被測(cè)距離與聲速的比值。⑤由于聲音在空氣中的傳播速度典型值為340 m/s，則可間接計(jì)算出所測(cè)的距離。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間×聲速）/2。其中，聲速為340 m/s。

典型工作參數(shù)如下。

工作電壓：DC 5 V。

靜態(tài)電流：小于2 mA。

工作電流：15 mA。

工作頻率：40 kHz。

高電平輸出：5 V。

低電平輸出：0 V。

感應(yīng)角度：不大于15°。

探測(cè)距離：2～450 cm。

高精度：可達(dá)0.3 cm。

該模塊是雙面貼片封裝，對(duì)外提供4 個(gè)引腳，分別是GND、Echo、Trig、+5 V。GND 為電源地，Echo為接收模塊的回波信號(hào)輸出引腳，Trig 為超聲波發(fā)射模塊的外部觸發(fā)啟動(dòng)信號(hào)輸入引腳，+5 V 是工作電源正極。

模塊集成了一片單片機(jī)，當(dāng)SR04 模塊上的單片機(jī)的觸發(fā)信號(hào)輸入引腳收到大于10 μs 的啟動(dòng)脈沖后，會(huì)發(fā)出8 個(gè)頻率為40 kHz 的脈沖信號(hào)，這個(gè)電脈沖信號(hào)由超聲波模塊換能器調(diào)制轉(zhuǎn)換成超聲波音頻信號(hào)發(fā)出后，回波信號(hào)輸出引腳同時(shí)會(huì)輸出一個(gè)高電平。超聲波遇到障礙物返回后，回響信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化[2]，從高電平變?yōu)榈碗娖?。因此可以根?jù)這個(gè)回響信號(hào)的高電平維持時(shí)間寬度來(lái)計(jì)算距離，如圖1 所示。

圖1 超聲波測(cè)距時(shí)序圖

根據(jù)圖1 中回響信號(hào)的脈沖寬度，可以獲得距離參數(shù)。計(jì)算公式為：距離=回響信號(hào)高電平時(shí)間×聲速（精度不高直接采用340 m/s）/2。

2.2 主控芯片

本系統(tǒng)采用AT89C4051 單片機(jī)作為主控芯片。它采用dip20 引腳的雙列直插式封裝，具有4K 的程序存儲(chǔ)空間，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，2 個(gè)外中斷源，2 個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1 個(gè)UART 串行口，16 個(gè)I/O 引腳，能完全滿(mǎn)足控制要求，價(jià)格低，性?xún)r(jià)比高。

單片機(jī)P3.7 引腳接到超聲波模塊的觸發(fā)信號(hào)輸入引腳，P3.6 引腳接到回聲信號(hào)輸出引腳，將P1 口作為L(zhǎng)CD1602 液晶模塊的數(shù)據(jù)接口，P3.0 引腳作為R/W 讀寫(xiě)控制，P3.1 引腳作為R/S 指令/數(shù)據(jù)選擇控制[3]。由于某些使用場(chǎng)合對(duì)測(cè)距精度要求較高，需要進(jìn)行測(cè)距的實(shí)時(shí)溫度修正，因此可以使用一片Dalas 公司的DS18B20 單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，這里用P3.3 作為單片機(jī)與DS18B20 的單總線(xiàn)接口，最后3 個(gè)芯片都需要連接上+5 V 電源和GND。

3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

首先是單片機(jī)和超聲波模塊的初始化，進(jìn)行本次測(cè)距的準(zhǔn)備工作。接著由單片機(jī)輸出一個(gè)20 μs 的啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)超聲波模塊的發(fā)射，此時(shí)模塊的Echo 引腳同步輸出高電平信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)和啟動(dòng)DS18B20 進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，然后程序不斷檢測(cè)查詢(xún)超聲回波信號(hào)引腳狀態(tài)，當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)Echo 引腳變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)立即關(guān)閉定時(shí)，最后的定時(shí)時(shí)間t就是超聲波經(jīng)過(guò)2 倍被測(cè)距離所用的時(shí)間，因此實(shí)際距離S=（t×340/2）m。

當(dāng)測(cè)量精度要求較高時(shí)，還需要充分考慮到溫度的不同對(duì)于超聲波速度的影響[4]。當(dāng)溫度為0 ℃時(shí)超聲波速度是332 m/s，20 ℃時(shí)是344 m/s，30 ℃時(shí)是350 m/s，即實(shí)際聲速v與環(huán)境溫度Temp大致成線(xiàn)性比例關(guān)系。以溫度0 ℃時(shí)的聲速為基準(zhǔn)，則實(shí)際聲速v=（332+Temp×0.6）m/s，故經(jīng)過(guò)溫度修正后的實(shí)際距離為S=（t×（332+Temp×0.6）/2）m。而用于測(cè)距溫度修正的溫度檢測(cè)可以利用DS18B20 溫度傳感芯片實(shí)現(xiàn)。

DS18B20 是美信公司的一款溫度傳感器，單片機(jī)可以通過(guò)1-Wire 協(xié)議與DS18B20 進(jìn)行通信，最終將溫度讀出。1-Wire 總線(xiàn)的硬件接口很簡(jiǎn)單，只需要把DS18B20 的數(shù)據(jù)引腳和單片機(jī)的一個(gè)I/O 口接上就可以了。

DS18B20 通過(guò)編程，可以實(shí)現(xiàn)最高12 位的溫度存儲(chǔ)值。溫度數(shù)據(jù)是2 個(gè)字節(jié)，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，先讀取到的是低字節(jié)的低位。它所表示的溫度值中，有小數(shù)和整數(shù)兩部分。把小數(shù)和整數(shù)部分分離，在合適的位置點(diǎn)上小數(shù)點(diǎn)即可。本設(shè)計(jì)的程序中，保留一位小數(shù)位。

經(jīng)過(guò)溫度修正后最后得到的測(cè)量距離結(jié)果，可以通過(guò)單片機(jī)P1 數(shù)據(jù)口和P3.0/P3.1 控制端口，將其在液晶模塊上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，第一行顯示環(huán)境溫度，第二行顯示測(cè)量的實(shí)際距離。

4 超聲波測(cè)距的精度的進(jìn)一步優(yōu)化

在軟件實(shí)現(xiàn)代碼中，檢測(cè)回響信號(hào)脈沖寬度時(shí)可以用軟件查詢(xún)的方式，即用代碼檢測(cè)與Echo 引腳連接的單片機(jī)P3.6 引腳的電平變化來(lái)啟動(dòng)和關(guān)閉定時(shí)器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間的測(cè)量。在要求不高的測(cè)量時(shí)，這樣做完全可以得到讓人滿(mǎn)意的結(jié)果。但如果系統(tǒng)功能擴(kuò)展得比較復(fù)雜（比如進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償、進(jìn)行蜂鳴聲音提示、與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信），則系統(tǒng)中還需要開(kāi)啟其他多個(gè)中斷，而某些中斷函數(shù)還可能執(zhí)行較長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)，就可能發(fā)生這樣一種情況：當(dāng)實(shí)際的回響信號(hào)變化時(shí)，系統(tǒng)正在執(zhí)行某個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)的中斷函數(shù)，那么主程序中的檢測(cè)就只能等待此中斷函數(shù)執(zhí)行完后才能繼續(xù)，于是就可能造成程序檢測(cè)到回響信號(hào)變化的時(shí)刻比實(shí)際發(fā)生的時(shí)刻要晚一些，從而會(huì)使定時(shí)器測(cè)得的脈沖寬度值發(fā)生較大偏差，進(jìn)而使計(jì)算出的距離發(fā)生較大的偏差[5]。

針對(duì)此問(wèn)題，可以通過(guò)靈活運(yùn)用定時(shí)器T0 或T1的門(mén)控功能來(lái)解決。這里利用T0 的門(mén)控功能實(shí)現(xiàn)高精度的超聲波測(cè)距。具體實(shí)現(xiàn)方法：?jiǎn)⒂肨0 門(mén)控功能（TMOD 中相應(yīng)的GATE 位置1），這時(shí)外部中斷引腳INT0（P3.2）將起到實(shí)際控制T0 啟停的作用，即INT0 為1 時(shí)T0 啟動(dòng)計(jì)數(shù)，INT0 為0 時(shí)T0 停止計(jì)數(shù)，這樣就不需要編寫(xiě)代碼來(lái)檢測(cè)超聲波回聲信號(hào)，而是可以將回聲信號(hào)連接到INT0 即P3.2 引腳上，讓它自動(dòng)控制T0 啟停，從而避免了軟件檢測(cè)時(shí)可能產(chǎn)生的偏差，測(cè)量精度將大大提高。

5 運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

將超聲波模塊通過(guò)排線(xiàn)與單片機(jī)主控板連接，將液晶模塊焊接到與主控板的液晶接口，確認(rèn)無(wú)誤后上電，此時(shí)液晶模塊會(huì)顯示Test 字樣。將超聲波模塊對(duì)準(zhǔn)一個(gè)不小于0.5 m2的障礙物，按開(kāi)始測(cè)距按鈕，超聲波發(fā)射模塊被啟動(dòng)。當(dāng)發(fā)射的超聲波被反射回來(lái)由接收器接收到時(shí)，單片機(jī)將測(cè)得的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理并顯示在液晶模塊上。例如第一次測(cè)量后顯示距離為0.205 m，經(jīng)實(shí)際用尺子測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為0.200 m，誤差為0.5 cm；第二次測(cè)量后顯示距離為0.396 m，實(shí)際用測(cè)量距離為0.400 m，誤差為0.4 cm；第三次測(cè)量后顯示距離為0.603 m，實(shí)際測(cè)量距離為0.600 m，誤差為0.3 cm，誤差范圍在0.3～0.5 cm，測(cè)試較為準(zhǔn)確，特別是被測(cè)試物體表面平整，并且模塊入射角度越垂直于被測(cè)物體表面時(shí)效果更好。

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)和超聲波集成傳感模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的非接觸式自動(dòng)測(cè)量，利用量產(chǎn)的成品化的高精度超聲波傳感器，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效，大大方便與單片機(jī)接口。利用單片機(jī)靈活強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)運(yùn)算功能，實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)與障礙物之間距離的實(shí)時(shí)測(cè)量和修正功能，并在液晶模塊上直觀(guān)顯示出來(lái)測(cè)距結(jié)果，還可以根據(jù)測(cè)量的不同距離范圍進(jìn)行不同頻率的聲音報(bào)警。同時(shí)探討了如何利用溫度測(cè)量模塊進(jìn)行測(cè)距結(jié)果的實(shí)時(shí)溫度修正，以及利用單片機(jī)定時(shí)器的門(mén)控定時(shí)功能提高測(cè)量精度的方法，最大限度地提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易，雖然不能測(cè)量過(guò)遠(yuǎn)的距離（5 m之外），但規(guī)模小，外圍電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，成本低，器件更換維護(hù)容易，靈活性高，與被測(cè)量物體不需要直接接觸，可以廣泛應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如汽車(chē)倒車(chē)防撞提醒、智慧物流運(yùn)動(dòng)控制、建筑工地作業(yè)安全提示、公共安防中的接近檢測(cè)、停車(chē)場(chǎng)安全檢測(cè)、工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的液位測(cè)量、工件運(yùn)動(dòng)位置測(cè)量等，它的推廣應(yīng)用將大大便利人們的生活和提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化效率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。