单片机的超声波测距系统的设计

基于单片机的超声波测距系统的设计

摘要：

这是一种可应用于倒车雷达的超声波测距系统。本系统采用单片机为核心，

结合发射和接受模块构成整个的测距系统。倒车雷达是用来探测车身和周围的障碍物并显示其距离，以帮助驾驶员安全倒车或泊车的辅助电子设备，在纵多的汽车中逐渐普及应用，而且较多的应用了本系统设计采用的无源探头。采用无源探头能够降低整个系统的设计成本，为能够更广泛的应用超声波测距系统打了坚实的基础。因此，本系统的设计具有广泛的运用价值和意义。

关键字：超声波测距；倒车雷达；运用价值

目录

引言 (4)

一、超声波测距系统主要功能的概述 (4)

二、超声波测距系统的主要技术指标 (4)

三、超声波测距系统的原理 (4)

四、超声波测距系统的硬件组成 (5)

五、超声波测距系统的软件设计 (9)

六、超声波测距系统的测试数据和测试结果分析 (10)

七、总结 (11)

谢辞 (11)

参考文献 (12)

附录一——超声波测距系统原理图 (13)

附录二——超声波测距系统的PCB图 (14)

附录三——超声波测距系统的源程序 (15)

引言：

本系统以STC89C52单片机控制为核心、发出40K发波信号，经发射电路升压后驱动超声波换能器，然后再由超声波接收头接受信号，送到单片机处理后，由液晶显示模块显示测量数据。此外，本系统还包括了测温系统，测温工作由DS18B20完成，由本系统构成的超声波测距系统具有测量准确，显示便捷，操作灵活，反应迅速，系统工作稳定，耗电低，报警提示等特点。

一、超声波的主要功能概述：

●实时显示当前测量距离；

●实时显示当前测量温度；

●具有近距离和远距离两种测量模式；

●能够实时报警功能；

●具有开机系统自检功能；

二、超声波测距仪的主要技术指标

测量距离：0.20m-10.00m

测温范围：0℃-125℃

测量距离精度：1cm

实时功率：0.05W

系统发射功率：1mW(max)

工作电流：80mA(min)、90mA(max)

输入电源电压：DC5V

三、超声波测距系统的原理

超声波测距的方法有很多种，如相位检测法，声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限：声波幅值检测法容易受反射波的映像。本系统采用超声波往返时间检测法，其原理是：检测从超声波发生器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘再除以2就是检测的距离。即有：

L=V*T/2

想要通过时间测量超声波传播的时间的准确性确定距离，声速V就必须要准确测定。实际上声速虽介质的温度，压力等变化而变化。一般条件下，由于大气压力变化很小，因此传播速度就主要受温度的影响。在我们的设计测距系统中采用测量温度的方法来补偿声速，即用测温元件测量实际环境的温度来修正声速。空气中的声速与温度的关系近似用下式表示：

V=331.4+0.607T m/s T－℃

此外，准确的测量目标还要能够精确的计算出超声波传播的时间，显然能够确定的时间的单位越小越好，本系统采用的单片机的定时器0来计算时间，单片机采用12M 的晶振，那么本系统可精确到

1US 的最小时间单位，计算所测量的距离可精确到0.0001M，显然这已经能够完全地满足我们的设计要求。

超声波测距系统的总电路的组成部分有：单片机控制电路，超声波发射电路，超声波接受电路，测温电路，液晶显示电路以及报警电路等共同组成。单片机控制电路负责发生40K的方波信号，经一反向器器后分别送到MAX232的两TTL电平输入端，然后产生+/-9V 的方波信号驱动超声波换能器。再由超声波接受回来，此时，就可利用单片机定时出发射和接收的时间差。那么单片机就可计算出实际的距离，并将其显示出来。具体的硬件原理框图如下：

四、超声波测距系统的硬件组成

4.1单片机控制系统

单片机控制系统以单片机STC89C52为核心，结合其本身的一

些外围器件构成。STC89C52单片机是一款应用很普及的89系列的单片机，该单片机具有四个8位的I/O口，内部集成了8K的程序存储器，两个外部中断，两个定时器，支持串口的程序下载，具有应用简单，操作简便，价格便宜等许多优点。因此我们选用这一型号的单片机作为控制器。单片机的晶振频率为12M，这样有利于我们更准确地计算超声波的往返时间，是后面距离精确计算的基础。

图一：超声波控制电路

4.2超声波发射电路

超声波发射电路采用基于MAX232的方波发射电路，电路的前级用74LS04非门输出正反相的40KHz方波信号驱动MAX232后实现从TTL电平到RS232电平的DC-DC转换，输出+/-9V的电

压方波，驱动超声波换能器，电路图如下图2所示。由于发射到换能器的电压高，波形完整，因此可以达到很高的发射功率与效率，可以测量到比较远的距离，同时用这个电路发射方波，电路工作稳定，电路功耗很小，也适合单电源供电。所以我们采用这个方案作为发射电路。

图2：基于MAX232的超声波发射电路

4.3超声波接受电路

超声波接收电路采用集成接收芯片对超声波回波信号进行放大与整形，在这里我们采用SONY公司生产的红外接收专用芯片CX20106A（电路如图3所示），由于它的接收频率在40KHz左右，而且它的外部电路简单易于实现，同时减少了生产调试的麻烦，因此我们采用这个接收方案。

CX20106A内部集成了前置放大与限幅放大，总增益可达80dB，带通滤波电路，峰值检波，噪声抑制电路，自动增益控制电

路和波形整形电路。可以通过调整外部的电容C2调整它的接收灵敏度，调整外部电阻R6可以的调整它的接收中心频率与增益，它工作稳定，灵敏度高，功耗小，接收回波能力强，所以我们采用这个方案作为接收电路。

图3：基于CX20106A的超声波接受电路

4.4LCD液晶显示电路

LCD液晶显示电路采用LCD1602液晶显示模块，它可以显示2行*16个字符，完全可以满足我们的设计要求。它独有的蓝色背光电路可以在环境光线较弱的条件下应用，显示清晰，颜色靓丽，价格便