基于单片机的超声波测距仪设计开发_赵毅能.pdf

年月机电工程技术第卷第期 收 稿 日 期：赵 毅 能，师 文 庆基 于 单 片 机 的 超 声 波 测 距 仪 设 计 开 发 机 电 工 程 技 术，（）：基于单片机的超声波测距仪设计开发赵 毅 能，师 文 庆（广 东 海 洋 大 学 电 子 与 信 息 工 程 学 院，广 东 湛 江）摘 要：作 为 非 接 触 式 检 测 手 段 的 重 要 技 术，超 声 波 测 距 已 在 传 感 器 技 术 和 自 动 化 控 制 相 结 合 的 测 距 系 统 中 发 挥 了 关 键 的 作 用。为 解决 超 声 波 测 距 测 距 精 度 和 响 应 速 度 不 理 想、易 受 温 度 影 响 的 问 题，基 于单 片 机，采 用 软 硬 件 并 行 研 发 的 方 式 设 计 出 一 款 多 功 能高 精 度 超 声 波 测 距 仪 系 统。系 统 由 单 片 机 模 块、超 声 波 模 块、温 湿 度 采 集 模 块、液 晶 显 示 模 块 和 声 光 报 警 模 块 等 部 分 构 成，使 用语 言 开 发 了 液 晶 显 示、超 声 波、温 湿 度 检 测 和 声 光 报 警 等 模 块 子 系 统。利 用单 片 机 驱 动 超 声 探 头 和 温 湿 度 传 感 器 分 别 采集 超 声 波 往 返 时 间 和 温 湿 度，并 根 据 采 集 到 的 温 度 修 正 测 距 结 果，提 高 了 测 距 精 度。所 开 发 设 备 经 温 湿 度 检 测 功 能、抗 干 扰 能 力、报 警 功 能、测 距 及 纠 偏 功 能 等 试 验，结 果 表 明 各 功 能 满 足 设 计 需 求，安 全 可 靠、工 作 稳 定，最 远 测 量 距 离 为，误 差 小 于，满 足 短 距 离 测 距 的 要 求。关 键 词：超 声 波 测 距 仪；单 片 机；温 度 补 偿中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，：；引 言从世 纪 开 始，人 们 对 于 超 声 波 测 距 传 感 器 进 行 了大 量 的 研 究 并 推 出 了 商 用 产 品。随 着 社 会 的 发 展 以 及人 们 对 测 距 要 求 的 提 高，超 声 波 测 距 技 术 自 身 也 在 不 断地 完 善 和 发 展，使 用 超 声 波 测 距 仪 的 场 合 也 越 来 越 多，比 如 用 常 规 测 量 的 方 法 很 难 得 到 大 部 分 曲 面 外 形 尺 寸，但 可 以 利 用 多 个 超 声 波 探 头 进 行 多 方 位 测 距 来 实 现 对 曲面 尺 寸 的 检 测，水 下 机 器 人 在 此 基 础 上 可 以 绘 制 出水 下 地 形 图 像。超 声 波 测 距 作 为 一 种 基 础 的 检 测 手 段 一直 活 跃 于 科 学 研 究 中。基 于 此，设 计 出 一 款 工 作 稳 定、成 本 低 的 多 功 能 超 声 波 测 距 仪 具 有 非 常 现 实 的 意 义。近 些 年 来，国 内 外 研 究 学 者 对 于 超 声 测 距 的 研 究 关注 点 主 要 集 中 在 如 何 扩 大 量 程 和 提 高 测 距 精 度 上，原 理以 及 线 性 度 的 创 新 研 究 还 比 较 少，比 如 在 回 波 信 号 处理 方 法 和 发 射 脉 冲 信 号 的 选 取 上 没 有 突 破 性 的 进 展。由 于 超 声 波 测 距 仪 功 能 比 较 单 一，且 因 易 受 温 度 影响，测 距 精 度 大 大 降 低，限 制 了 超 声 波 测 距 仪 在 高 精 度要 求 的 测 距 场 合 的 应 用。本 文 所 介 绍 的 超 声 波 测 距 方案 采 用 渡 越 时 间 探 测 法 同 时 引 入 温 度 补 偿，即 在 计 算 出不 同 温 度 情 况 下 的 声 速 后，联 立 测 量 的 超 声 波 往 返 时 间获 得 距 离，温 湿 度 检 测 和 声 光 报 警 作 为 辅 助 功 能 可 以 拓宽 应 用 场 景。超 声 波 测 距 系 统 方 案 概 述本 设 计 在 检 测 过 程 中，由 于 距 离 以 及 温 湿 度 的 变 化参 数 均 在芯 片 可 以 接 受 的 范 围 内，微 秒 级 的定 时 器 精 度 带 来 的 微 小 误 差 可 忽 略 不 计，因 此作 为 主 控 芯 片 能 够 很 好 地 满 足 超 声 测 距 系 统 的 要 求。渡 越 时 间 探 测 法 指 的 是 超 声 波 发 生 器 往 某 个 方 向 发射 超 声 波，计 时 开 始 于 发 射 的 时 间 点，此 后 超 声 波 沿 直线 传 播，当 超 声 波 撞 击 到 物 体 时 就 被 反 射 回 来，当 超 声波 接 收 器 接 收 到 返 回 来 的 回 波 时 计 时 停 止。本 文 利 用单 片 机 驱 动超 声 探 头 发 射 一 定 频 率的 超 声 波，超 声 波 碰 到 基 准 面 时 反 射 回 来 被 超 声 探 头 接收，定 时 器记 录 超 声 波 的 往 返 时 间，因 为 考 虑 到 温 度对 声 速 的 直 接 影 响，系 统 还 利 用温 湿 度 传 感 器 采集 环 境 的 温 湿 度，采 集 的 数 据 结 果 返 回 单 片 机，再 由 单片 机 结 合 不 同 温 度 下 的 声 速 对 测 量 距 离 进 行 修 正 补 偿，液 晶 屏 显 示 测 距 结 果 和 温 湿 度 值，如 果 测 距 仪进 入 危 险 范 围 则 判 断 危 险 程 度 并 驱 动 相 应 频 率 的 声 光报 警。超 声 波 测 距 系 统 硬 件 设 计硬 件 方 面 主 要 由 单 片 机 模 块、超 声 波 模 块、温 湿 度采 集 模 块、液 晶 显 示 模 块 和 声 光 报 警 模 块 等 部 分 构 成。图为 采 用 电 压 驱 动 的 硬 件 电 路 示 意 图。图电 路 原 理 图 单 片 机 最 小 系 统 电 路单 片 机 最 小 系 统 电 路 的 资 源 可 以 自 由 配 置，所 有 输入 信 号 都 会 传 送 至 最 小 系 统 电 路，单 片 机 分 析 处 理 后，发 送 控 制 信 号 到 对 应 的 模 块 中 去。电 容 值 的 大 小 直 接 影 响 到 单 片 机 的 复 位 时 间，此外，晶 振 就 好 比 人 的 心 脏，如 果 不 起 振，系 统 将 不 能 正常 工 作，晶 振 频 率 越 高，单 片 机 运 行 速 度 越 快，但 不 是越 高 越 好，太 高 反 而 容 易 受 到 干 扰，本 系 统 的 晶 振采 用 固 有 频 率，一 方 面 运 行 速 度 快，另 一 方 面 可以 得 到的 机 器 周 期，方 便 定 时 计 算。和起 到稳 定 脉 冲 的 作 用，如 果 两 个 电 容 值 相 差 过 大，则 极 易 引起 共 振 失 衡 或 者 无 振 荡。为 了 使 单 片 机 重 置 后 从 片 内的开 始 执 行 内 部 程 序 指 令，管 脚 需 要 接高 电 平。超 声 波 测 距 模 块如 图所 示，驱 动超 声 探 头 需 要 单 片 机口 提 供 一 个 至 少 的 脉 冲 信 号，此 时 超 声 波 探 头 会主 动 发 射个 的 方 波 信 号，引 脚 发 送 回 响信 号，定 时 器 启 动，当 超 声 探 头 检 测 到 回 波 信 号 时，引 脚 把 高 电 平 拉 低，定 时 器 停 止 定 时，此 时所记 录 的 持 续 高 电 平 时 间 即 为 超 声 波 的 往 返 时 间。图 时 序 图 温 湿 度 检 测 模 块通 过单 总 线 与 单 片 机 进 行 数 据 的 双 向传 输。首 先 单 片 机 将 通 过 口 给第引 脚 发 送一 个 启 动 信 号，温 湿 度 传 感 器 响 应 后 将 温 度 和 湿 度 按 照赵 毅 能，师 文 庆：基 于 单 片 机 的 超 声 波 测 距 仪 设 计 开 发不 同 的 分 辨 率 转 化 为 数 字 信 号 并 输 出 给 单 片 机 共个字 节。液 晶 显 示 模 块本 设 计 选 用 的液 晶 显 示 器 具 有 性 价 比 高，操 作 简 单 等 特 点，数 据 引 脚 连 接 到端 口。声 光 报 警 模 块 蜂 鸣 器 报 警 模 块本 设 计 采 用 电 磁 式 蜂 鸣 器，因 为 单 片 机 上 的 输 出 端口 电 流 较 小，导 致 蜂 鸣 器 不 能 正 常 响 应，故 在 此 模 块 中利 用 了型放 大 电 流，端 口 一 旦 输 出 低 电 平将 会 使 得 蜂 鸣 器 报 警。灯 报 警 模 块当 端 口 输 出 低 电 平 时，发 光 二 极 管 正 向 导 通，载 流 子 定 向 运 动 并 复 合，辐 射 荧 光。超 声 波 测 距 系 统 软 件 设 计语 言 在 嵌 入 式 系 统 中 应 用 得 最 为 广 泛，其 相 对 于汇 编 语 言 具 有 明 显 的 优 势，能 够 精 确 定 时。本 文 采 用语 言 开 展 软 件 设 计，以 产 生 精 确 的 高 频 率 超 声 波。软件 由 液 晶 显 示 子 程 序、超 声 波 模 块 子 程 序、温 湿 度 检 测子 程 序 和 声 光 报 警 子 程 序 等 部 分 组 成。总 体 流 程 如 图所 示。首 先 对 液 晶 和 定 时 器 进 行 初 始 化，选 用定 时 器且 工 作 方 式 为，随 之 进 入 循 环：（）采 集 当 前 环 境 的温 湿 度 并 在 液 晶 的 第 一 行 实 时 显 示。考 虑 到 温 度 的 影 响，测 量 距 离 时，误 差 大 约 为 ，根 据 声 速 与 温 度变 化 公 式 可 计 算 出 对 应 不 同 温 度 下 的图总 体 流 程 图声 速；（）从超 声 探 头 获 得 时 间，联 立 当前 环 境 温 度 下 的 声 速，计 算 出 距 离 并 在 液 晶 的 第 二 行实 时 显 示；（）判 断 测 距 结 果 是 否 在 报 警 范 围 内，是则 执 行 声 光 报 警 子 程 序 判 断 危 险 程 度，同 时 进 行 相 应频 率 的 声 光 报 警；（）判 断 是 否 按 下“设 置”按 键，若 按 下，系 统 将 自 动 进 入 报 警 值 设 置 界 面。由 于 本 设计 采 用 的 按 键 数 不 多，为 方 便 起 见，采 用 独 立 键 盘 的方 式。此 外 针 对 按 下 和 松 开 按 键 后 出 现 的 电 平 不 稳 定现 象，采 用 程 序 消 除“抖 动”的 方 式，即 延 迟 数 毫 秒，等 待 电 平 恢 复 稳 定，以 避 开“抖 动”。此 时 为 一 个 完 整的 循 环。液 晶 显 示 程 序 设 计液 晶 显 示 流 程 如 图所 示，程 序 主 要 通 过函 数 和函 数 分 别 确 定 地 址 和 操作 数。超 声 波 模 块 程 序 设 计超 声 波 模 块 流 程 如 图所 示。首 先 给 超 声 探 头 的引 脚 输 出 一 个 持 续的 开 始 脉 冲，直 到 超 声 组 件引 脚 返 回 高 电 平 脉 冲，系 统 启 动 定 时 器，在收 到 回 波 信 号 的 瞬 间 停 止 定 时，记 录 的高 电 平 持 续 时 间 的 一 半 乘 以 声 波 的 速 度 就 可 以 计 算 出距 离。图液 晶 显 示 流 程 图 图超 声 波 模 块 流 程 框 图 温 湿 度 检 测 程 序 设 计如 图所 示，温 湿 度 检 测 必 须 遵 从 时 序 要 求，按 照主 从 机 通 信 的 方 式 进 行 程 序 设 计。在 数 据 接 收 状 态 时，读 一