一种超声波测距装置的设计与实现

2016-12-04 02:36王怡

中国新技术新产品 2016年20期

关键词：回响测距超声波

王　怡

（电子科技大学成都学院微电子技术系，四川成都 611731）

一种超声波测距装置的设计与实现

王怡

（电子科技大学成都学院微电子技术系，四川成都 611731）

摘要：超声波测距技术应用广泛，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控等。重点介绍了一种基于单片机的超声波测距装置的设计与实现。包括电路的基本组成及设计原理，超声波测量模块的接口特性及基本功能，软件设计原理以及测量精度的控制等。

超声波；测距；单片机；精度

1.总体架构

测距仪以基于51单片机的最小系统为核心，加上超声波测距模块，显示模块和通信模块构成。显示模块由数码管构成，可以实时显示距离测量的结果。通信模块以单片机自带的通用异步串口为基础，扩展一路RS232电平接口。通过这个接口，可以把测量结果上传给其他设备，也可以接受来自网络中主机的命令，按要求进行距离测量和结果上传。

2.硬件电路设计原理

2.1 超声波模块的选择和基本工作原理

超声波模块是实现距离测量的核心硬件部件。本次选用的超声波测距模块是HC-SR04。

该模块接口简单，只有4个引脚，分别是电源、地、触发信号输入，回响信号输出。HC-SR04模块可提供2cm～400cm的非接触式距离感触功能，测量精度可达3mm。工作原理如下：

（1）启动测量：向触发信号输入引脚输入一个至少持续10us的高电平信号，就能启动模块的测距；

（2）测量过程及输出：模块启动测距后会发出8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回。一旦测到返回信号，就在回响信号输出端输出一个正脉冲，正脉冲持续时间就是超声波信号发出到收到返回信号的时间间隔。因此，通过测量该正脉冲的宽度并进行正确地换算，就能得到相应的测量距离；

（3）结果换算：测量距离=（高电平持续时间×音速）/2。

2.2 超声波模块与单片机之间的互联设计

超声波模块与单片机之间的互联，最简单的设计就是将单片机的任意两根I/O口线与模块的触发信号输入，回响信号输出相连就可以了。但是，这种方式测量回波的宽度会存在一定的误差。因此，如果想要精确地测量回波宽度，就要用到单片机定时器自带的门控功能。硬件的互联就会不同。此时，模块的触发信号输入端仍然可以与单片机的一根普通用户I/O口线连接。但模块的回响信号则只能连接到单片机的外部中断引脚INT0或INT1上，这样才能使用定时器的门控功能，实现精确测量。

3.软件设计原理

3.1 一般测量

如果测量精度要求不高，就可以使用查询的方式来检测回波信号的变化，并相应地控制定时器的计时，计时完成后，取出计数值，换算成时间，再将高电平的持续时间换算成距离即可。测量控制部分的关键代码如下：

sbit Trig=P1^0；

sbit Echo=P1^1；

main（）

{

Trig=0； //触发信号初态置为0

TMOD=0x01； //设置定时器0为工作方式1，内部计数模式

TH0=0； //定时器0清零

TL0=0； //定时器0清零

Trig=1； //触发信号置1，开始测量

delay_12us（）； //延时12us

while（Echo==0）； //等待有效的回波信号

TR0=1； //启动定时器0

while（Echo==1）； //等待回波信号变低

TR0=0； //停止计数

........

}

上述测量控制过程完成后，就可以读取TH0和TL0中的计数值，进行测量距离的计算了。

3.2 精确测量

在一般的测量方法中，监测回波信号和启动定时器都是通过软件查询来实现的。然而，由于软件查询和回波信号的产生是完全独立的两个操作，所以查询必然滞后于回波信号的产生，从而带来一定的测量误差。而程序读到有效的回波信号后，要先做判断，然后再启动定时器工作，这都需要时间。回波信号变为无效，程序读取状态后再关闭定时器，也是类似的过程。因此，测量是有误差的。

如果想测量更精确，就要使用硬件来控制定时器的启动。即回波信号一变为有效，定时器立刻启动，停止也一样。要做到这一点，就要用到单片机定时器自带的门控功能。单片机的TMOD寄存器中有一个门控位GATE。该位置为1，定时器的运行控制位TRx置为1，定时器的启动和停止就可以由单片机的外部中断引脚INT0或INT1控制了。因此，硬件互联时，回响信号必须连接到单片机的外部中断引脚INT0或INT1上。这样就能做到定时器的计时与回响信号变化之间的同步了。软件的设计也更简化，控制部分的关键代码如下：