基于单片机的超声波测距系统的设计与实现

雷文礼，任新成，邵婷婷

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000）

摘要：随着计算机技术的飞速发展，芯片价格日益降低，可靠性稳步提升，用智能技术为人们的生产和生活提供便利成为一种迫切的需求。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段，有效避免了测距人员与危险环境的接触，可以很好地满足无线测距的现实需求。这里设计一种可以实时测量的便捷式测距系统，该系统可对障碍物实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。

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关键词：超声波；STC89C52；无线测距；实时性

中图分类号：TN912.203.1?34；TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0012?03

收稿日期：2015?02?05

基金项目：延安市科学技术研究发展计划项目（2014KG?04）；陕西省教育厅科研计划项目资助（14JK1829）；陕西省科学技术研究发展计划项目（工业攻关）（2014K05?61）；国家自然科学基金（61379026）

在人们的日常生活和工业生产现场中，经常会碰到一些需要非接触测距的场合，如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段，有效避免了测距人员与危险环境的接触，可以很好地满足无线测距的现实需求，获得了广泛的应用[1]。本文设计一种可以实时测量的便捷式测距系统，该系统可对障碍物实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。

1 超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，同时开始计时[2]，当超声波接收器收到超声碰到障碍物后的反射波时，立即停止计时，记录时间t。根据超声波在空气中的传播速度和计时器记录的时间t，用速度距离公式，可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S = 340t 2。

在测距时，当传播介质温度变化不大时，近似认为超声波速度在传播的过程中是不变的，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，如图1所示。

式中L 表示两探头之间中心距离的一半。

超声波的传播距离为：

式中：v 为超声波的传播速度；t 为从发射到接收所用的时间。

将式（2），式（3）代入式（1）中，得：

当需要测量的距离H ? L 时，则式（4）变为：

所以，这里需要精确测量出超声波传播的时间t，就可以根据上述公式，计算出需要测量的距离H。

2 系统设计

本系统按模块划分为测距模块、控制模块、显示模块、报警模块[3]，如图2所示。电路结构可划分为超声波传感器电路、报警电路、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是该设计的中心单元。系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元，当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理，然后控制蜂鸣器报警[4]。

2.1 硬件电路设计

硬件电路总设计如图3所示，该设计中要用到如下器件：STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路[5]。其中，D1为电源工作指示灯，电路中用到3 个按键，一个是设定键，一个加键，一个减键。

超声波模块采用HC?SR04 超声波模块，该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，具有2~400 cm的非接触测距功能，精度可达3 mm，模块采用I/O口TRIG触发测距，可自动发送8个40 kHz的方波，并检测是否有信号返回。若有信号返回，则通过I/O 口ECHO 输出一个高电平，该高电平的持续时间即为超声波从发射到返回[6]的时间t。

测试距离= (高电平时间× 340) 2

超声波模块如图4所示，供电电压VCC 为5 V，TRIG为触发控制信号输入，ECHO为回响信号输出线。