基于单片机控制的超声波测距报警系统

0 引言

超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点，超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，因而采用仿真技术进行超声波测距。

目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量准确度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92 温度传感器进行声波传播速度的补偿后，设计的高准确度超声波测距仪能达到毫米级的测量准确度。

1 超声波测距报警系统基本原理

如图1 所示，使单片机可接收超声波模块输出的距离信号，并对其进行合理的处理后，在显示模块上实时显示超声波模块与障碍物的距离。

图1 系统连接示意

单片机发出40 kHz 的方波信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t.

再通过软件编程进行判别、计算，得出所测距离值并由LED 数码管显示，其原理框图如图2。

图2 超声波测距仪原理框图

发射器发出的超声波以速度v 在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t.由公式：测出的距离 L （m） = 常温下的声速340 （m/s）× 感应时间t （s） / 2,算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v 与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距准确度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以修正。

2 系统硬件设计

2.1 超声波测距原理

单片机在 T0 时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一个负跳变到单片机中端口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在介质中传播的时间t ,由此便可计算出距离。其时序图如图3 所示。

图3 超声波时序图

2.2 硬件电路

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用STC89C51 或其兼容系列。采用12 MHz 高准确度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P2.4 端口输出超声波换能器所需的40 kHz 的方波信号，利用外中断0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4 位共阳LED 数码管，段码用程序驱动，位码用PNP 三极管驱动。

2.3 各主要模块的硬件

STC89C51 芯片引脚与封装如图4 所示。

图4 STC89C51 引脚

引脚功能说明：

（1）VCC:电源电压。

（2）GND:接地。

（3）RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。

（4）/EA/VPP:当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

（5）XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

（6）XTAL2:来自反向振荡器的输出。

（7）P0 口：P0 口为一个8 位漏级开路双向I/O 口，也即地址/ 数据总线复用口。作为输出口用时，每脚可吸收8TTL 门电流。

（8）P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能吸收或输出4TTL门电流。

（9）P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 口缓冲器可吸收或输出4 个TTL门电流，当P2 口被写"1"时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

（10）P3 口：P3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可吸收或输出4 个TTL 门电流。