超声波测距系统设计

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0 引言
超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20 kHz 的机械波。
超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距. 文中主要对超声波测距系统电路进行设计。
1 超声波测距系统原理
超声波测距系统主要以AT89C52 单片机为核心，由HC-SR04 超声波测距模块和诺基亚5110 显示模块等基本模块构成的电路。通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，X2 是声波返回的时刻，X1 是声波发声的时刻，（X2-X1）得出的是一个时间差的绝对值，根据计时器记录的时间（X1-X2），就可以计算出发射点距障碍物的距离(L)如下图示是我们设计的超声波测试系统

图1.1 系统框图

2 系统电路设计

系统主要由主控制器模块、HCSR04超声波模块和诺基亚5110 模块构成。分别进行提供控制、测距、显示功能，如图2.1 所示。PCB 示意图如图2.2 所示。

图2.2 PCB 示意图

图2.1 系统设计原理图

3 主要器件
3.1 单片机AT89C52
AT89C52 是一种带8K 字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmableand Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000 次。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造。由于将多功能8 位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C52 是一种高效微控制器。AT89C52 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.2 HC—SR04 超声波模块
采用HC—SR04 超声波模块，其时序图如图3.2.1、原理图如图3.2.2 所示。

图3.2.1 超声波时序图

利用HC-SR04 超声波的MAX232 发射模块发射的超声波信号作为距离采样信号，TL074 接收模块接受所发射的信号：(1) 采用IO 口TRIG 触发测距，给最少10us 的高电平信号。
(2) 模块自动发送8 个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3) 有信号返回，通过IO 口ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=( 高电平时间* 声速(340M/S))/2。
3.3 诺基亚5110 显示模块
原理图如图3.3 所示。Nokia5110是一款经典机型。作为显示设备，取代LCD1602。
使用Nokia5110 显示的四大理由(1) 性价比高，LCD1602 可以显示32个字符，而Nokia5110 可以显示15 个汉字，30 个字符。Nokia5110 裸屏仅8.8 元，LCD1602 一般15 元左右，LCD12864 一般50~70 元。
(2) 接口简单，仅四根I/O 线即可驱动，LCD1602 需11 根I/O 线，LCD12864 需12 根。
(3) 速度快，是LCD12864 的20 倍，是LCD1602 的40 倍。
(4)Nokia5110 工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA 以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。
4 测试结果
设计结果如图4.1 所示，在距离超声波模块600mm 前放一本子作为障碍物，因为HC-SR04 超声波模块是以15 度的角度发射超声波，会存在相应的误差，所以显示屏上显示的是620mm，在误差允许范围内。模块有三个按键，分别用以调节超声波的传播速度、复位校准、相应拓展功能。所选择的HC-SR04 超声波模块测量范围是2cm~400cm，当超过最大范围，蜂鸣器会响起，起到报警作用。

图3.2.2 超声波原理图

图3.3 诺基亚5110 显示屏内部电路原理图

5 效果分析
通过对仪器的测量，误差大小与实际距离成正比且误差范围控制在20% 以内。
当超出400cm 范围的时候，蜂鸣器报警，得不出实际测量数据。（见表一）

6 结论
超声波测距模块自带发射接收和控制电路，只需要单片机给触发信号便可进行工作。通过软件设计和硬件相应配合，对所测距进行记录、显示工作，实现实时监测。软件设计主要是完成超声波发射接收回来的数据，通过AT89C52 单片机控制，进行相应的算法调整，将测量结果数值显示在显示屏上。实际测试结果证明由，本文提出的以AT89C52 单片机为核心的超声波测距系统可实现短距离范围的精确测量。
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李小路

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