一種超聲波測距裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王　怡

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院微電子技術(shù)系，四川 成都 611731）

一種超聲波測距裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王怡

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院微電子技術(shù)系，四川 成都 611731）

摘要：超聲波測距技術(shù)應(yīng)用廣泛，可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控等。重點(diǎn)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測距裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。包括電路的基本組成及設(shè)計(jì)原理，超聲波測量模塊的接口特性及基本功能，軟件設(shè)計(jì)原理以及測量精度的控制等。

超聲波；測距；單片機(jī)；精度

1.總體架構(gòu)

測距儀以基于51單片機(jī)的最小系統(tǒng)為核心，加上超聲波測距模塊，顯示模塊和通信模塊構(gòu)成。顯示模塊由數(shù)碼管構(gòu)成，可以實(shí)時(shí)顯示距離測量的結(jié)果。通信模塊以單片機(jī)自帶的通用異步串口為基礎(chǔ)，擴(kuò)展一路RS232電平接口。通過這個(gè)接口，可以把測量結(jié)果上傳給其他設(shè)備，也可以接受來自網(wǎng)絡(luò)中主機(jī)的命令，按要求進(jìn)行距離測量和結(jié)果上傳。

2.硬件電路設(shè)計(jì)原理

2.1 超聲波模塊的選擇和基本工作原理

超聲波模塊是實(shí)現(xiàn)距離測量的核心硬件部件。本次選用的超聲波測距模塊是HC-SR04。

該模塊接口簡單，只有4個(gè)引腳，分別是電源、地、觸發(fā)信號(hào)輸入，回響信號(hào)輸出。HC-SR04模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感觸功能，測量精度可達(dá)3mm。工作原理如下：

（1）啟動(dòng)測量：向觸發(fā)信號(hào)輸入引腳輸入一個(gè)至少持續(xù)10us的高電平信號(hào)，就能啟動(dòng)模塊的測距；

（2）測量過程及輸出：模塊啟動(dòng)測距后會(huì)發(fā)出8個(gè)40kHz的方波，并自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回。一旦測到返回信號(hào)，就在回響信號(hào)輸出端輸出一個(gè)正脈沖，正脈沖持續(xù)時(shí)間就是超聲波信號(hào)發(fā)出到收到返回信號(hào)的時(shí)間間隔。因此，通過測量該正脈沖的寬度并進(jìn)行正確地?fù)Q算，就能得到相應(yīng)的測量距離；

（3）結(jié)果換算：測量距離=（高電平持續(xù)時(shí)間×音速）/2。

2.2 超聲波模塊與單片機(jī)之間的互聯(lián)設(shè)計(jì)

超聲波模塊與單片機(jī)之間的互聯(lián)，最簡單的設(shè)計(jì)就是將單片機(jī)的任意兩根I/O口線與模塊的觸發(fā)信號(hào)輸入，回響信號(hào)輸出相連就可以了。但是，這種方式測量回波的寬度會(huì)存在一定的誤差。因此，如果想要精確地測量回波寬度，就要用到單片機(jī)定時(shí)器自帶的門控功能。硬件的互聯(lián)就會(huì)不同。此時(shí)，模塊的觸發(fā)信號(hào)輸入端仍然可以與單片機(jī)的一根普通用戶I/O口線連接。但模塊的回響信號(hào)則只能連接到單片機(jī)的外部中斷引腳INT0或INT1上，這樣才能使用定時(shí)器的門控功能，實(shí)現(xiàn)精確測量。

3.軟件設(shè)計(jì)原理

3.1 一般測量

如果測量精度要求不高，就可以使用查詢的方式來檢測回波信號(hào)的變化，并相應(yīng)地控制定時(shí)器的計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)完成后，取出計(jì)數(shù)值，換算成時(shí)間，再將高電平的持續(xù)時(shí)間換算成距離即可。測量控制部分的關(guān)鍵代碼如下：

sbit Trig=P1^0；

sbit Echo=P1^1；

main（ ）

{

Trig=0； //觸發(fā)信號(hào)初態(tài)置為0

TMOD=0x01； //設(shè)置定時(shí)器0為工作方式1，內(nèi)部計(jì)數(shù)模式

TH0=0； //定時(shí)器0清零

TL0=0； //定時(shí)器0清零

Trig=1； //觸發(fā)信號(hào)置1，開始測量

delay_12us（）； //延時(shí)12us

while（Echo==0）； //等待有效的回波信號(hào)

TR0=1； //啟動(dòng)定時(shí)器0

while（Echo==1）； //等待回波信號(hào)變低

TR0=0； //停止計(jì)數(shù)

........

}

上述測量控制過程完成后，就可以讀取TH0和TL0中的計(jì)數(shù)值，進(jìn)行測量距離的計(jì)算了。

3.2 精確測量

在一般的測量方法中，監(jiān)測回波信號(hào)和啟動(dòng)定時(shí)器都是通過軟件查詢來實(shí)現(xiàn)的。然而，由于軟件查詢和回波信號(hào)的產(chǎn)生是完全獨(dú)立的兩個(gè)操作，所以查詢必然滯后于回波信號(hào)的產(chǎn)生，從而帶來一定的測量誤差。而程序讀到有效的回波信號(hào)后，要先做判斷，然后再啟動(dòng)定時(shí)器工作，這都需要時(shí)間?；夭ㄐ盘?hào)變?yōu)闊o效，程序讀取狀態(tài)后再關(guān)閉定時(shí)器，也是類似的過程。因此，測量是有誤差的。

如果想測量更精確，就要使用硬件來控制定時(shí)器的啟動(dòng)。即回波信號(hào)一變?yōu)橛行В〞r(shí)器立刻啟動(dòng)，停止也一樣。要做到這一點(diǎn)，就要用到單片機(jī)定時(shí)器自帶的門控功能。單片機(jī)的TMOD寄存器中有一個(gè)門控位GATE。該位置為1，定時(shí)器的運(yùn)行控制位TRx置為1，定時(shí)器的啟動(dòng)和停止就可以由單片機(jī)的外部中斷引腳INT0或INT1控制了。因此，硬件互聯(lián)時(shí)，回響信號(hào)必須連接到單片機(jī)的外部中斷引腳INT0或INT1上。這樣就能做到定時(shí)器的計(jì)時(shí)與回響信號(hào)變化之間的同步了。軟件的設(shè)計(jì)也更簡化，控制部分的關(guān)鍵代碼如下：

sbit Trig=P1^0；

sbit Echo=P1^1；

main（ ）

{

Trig=0； //觸發(fā)信號(hào)初態(tài)置為0

TMOD=0x01； //設(shè)置定時(shí)器0為工作方式1，內(nèi)部計(jì)數(shù)模式

TH0=0； //定時(shí)器0清零

TL0=0； //定時(shí)器0清零

Trig=1； //觸發(fā)信號(hào)置1，開始測量

delay_12us（）； //延時(shí)12us

while（Echo==0）； //等待有效的回波信號(hào)

while（Echo==1）； //等待回波信號(hào)變低

........

}

上述測量控制過程完成后，就可以讀取TH0和TL0中的計(jì)數(shù)值，進(jìn)行測量距離的計(jì)算。

這樣測量的結(jié)果就很準(zhǔn)確了。

結(jié)語

本文介紹了一種基于51單片機(jī)超聲波測距模塊的設(shè)計(jì)。包括硬件設(shè)計(jì)原理，程序流程設(shè)計(jì)，測量精度控制等。該設(shè)計(jì)在實(shí)測中運(yùn)作良好，穩(wěn)定，測試距離及精度符合設(shè)計(jì)要求。

[1]張瑾，張偉，張立寶. Protel99SE入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2010.

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