基于单片机的超声波测距系统设计

煤矿机械

CoalMineMachinery

Vol.35No.06Jun.2014

doi:10.13436/j.mkjx.201406106

基于单片机的超声波测距系统设计*

王巧花，邬昌军，姚建松

（郑州轻工业学院机电工程学院，郑州450002）

摘要：基于超声波测距原理，介绍了以单片机AT89S52为核心器件的超声波测距系统的设

计。硬件包括超声波收发模块，显示、键盘及报警电路等部分。软件采用C语言编程，主要由主程序、显示数据转换子程序及键盘扫描子程序等部分组成。给出了实验数据、误差分析，以及提高测距精度的建议。该测距系统硬件电路简单，系统调试方便，可用于机器人避障、倒车雷达等场合。

关键词：超声波；测距；单片机中图分类号：TP368.1

文献标志码：A

文章编号：1003－0794（2014）06－0234－03

DesignofUltrasonicRangingSystemBasedonMicrocontroller

WANGQiao-hua，WUChang-jun，YAOJian-song

(CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ZhengzhouUniversityofLightIndustry,Zhengzhou450002,China)

Abstract:ThisarticleintroducesthedesignofultrasonicrangingregardingAT59S52asthecentredevice,basedontheprincipleofultrasonicranging.Therearemostlythetransceiverofultrasonic,displayunit,functionkeys,andalarmcircuit.SoftwareprogrammingusestheClanguage,comprisingamainprogram,asubroutineofdisplaydataconversionandkeyboardscanandsoon.Thearticlepresentstheexperimentaldataanderroranalysis,andgivestheadviceofimprovingrangeaccuracy.Thisrangingsystemhasthepropertiesofsimplehardwareandsystemdebug,enabletobeuseinobstacleavoidancerobotandbackingradaretc.Keywords:ultrasonic;ranging;microcontroller0

引言

频率高于20kHz的声波称为超声波，具有不受外界光线、电磁场、粉尘等因素影响的优点，当超声波从一种介质入射到另一种介质时，可以和光线一

*河南省教育厅科学技术研究重点项目（12A460012）

样在介质表面产生反射、折射等现象。利用这些特点使超声波在检测技术中获得了广泛的应用，如无损探伤、厚度测量、超声成像和测距等。

1超声波传感器及测距原理

在检测过程中，产生和接收超声波的装置就是

→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→iam装入→安装环、箱盖→装油标尺和通气器→装

端盖、螺栓。

器零部件添加驱动约束，使之按指定的增量和距离依次重置来模拟运动的效果。

4结语

Invenor能够和CAM/CAE(计算机辅助工程)结

合，模拟零部件的工作状态和运动，及时发现设计中的缺陷，以便达到设计的最优化目的。该软件是一套全面的设计工具，用于创建和验证完整的数字

图6

减速器总装配图、表达视图

样机，帮助制造商减少物理样机投入，以更快的速度将更多的创新产品推向市场。

参考文献：

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动模拟［J］.煤矿机械，2011，32（4）：227-228.

作者简介：李文敏（1978-），女，河南南阳人，讲师，硕士研究生，主要从事图学理论方面研究，电子信箱：715112133@qq.com.

3运动仿真

通常零部件装配好后，都要检查各个零件之

间是否存在干涉，尤其是在运动的过程中确保它们不会发生碰撞。对减速器来说，首先要检查齿轮间的运动：当一个齿轮转动时，另一个齿轮能正确地和它进行啮合，也会按照一定的传动比运动。在

Inventor操作中，要实现这一目的，需要对这一齿轮

添加运动约束，之后用鼠标拖动齿轮转动，就可以看到另一个齿轮的动作。除此之外，还可以为减速

责任编辑：武伟民收稿日期：2014－02－17

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第35卷第06期基于单片机的超声波测距系统设计———王巧花，等Vol.35No.06

超声波传感器，也称为超声波换能器，或超声波探头。根据工作原理可分为压电式、电磁式和磁致伸缩式等，常用的是压电式超声波探头，其常用的材料是压电晶体和压电陶瓷。发射探头将高频电信号转换成高频机械振动，即产生超声波，接收探头将接收的超声波转换成电信号。

超声波传感器在结构上有收发一体式和收发分体式2种形式，测距方法从原理上可分为共振式和脉冲反射式2种。本系统采用分体式超声波传感器和脉冲反射式测距方法，即利用超声波的反射特性测距。发射探头发出超声波，经空气传播，途中遇到障碍物立即反射回来被接收探头接收，测出超声波由发射到接收所经历的时间t，可根据s=ct/2，算出超声波发射点与障碍物之间的距离（c为超声波波速），这种测距方法也称为渡越时间法。

显示器8个笔画段a-h同名端连在一起构成公共极COM，即位码端，各自独立地接收I/O口控制。当

CPU输出字形码时，某位显示器亮取决于位码端，

当需要第1位显示器亮，则和第1位显示器位码端相连的I/O口P2.4输出0，而和其他显示器位码端相连的I/O口P2.5、P2.6、P2.7则输出1。显示过程采用动态扫描法，分时轮流点亮各个显示器，显示时间由定时器IT0控制，由于每位显示器点亮时间极为短暂，加上二极管余辉效应，人眼无法区分，看到的就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。

（3）键盘电路

为满足不同用户需求和增加测距系统灵活性，本系统设计了3个功能键S1，S2，S3，见图2。由于按键少，所以采用独立式键盘，每个键占用一个I/O口，S1键接P2.0，S2键接P2.1，S3键接P2.2。各个按键的工作状态相互独立，互不影响。S1键用来显示最大、最小测量范围，即测量极限；S2和S3键是根据用户需要调整测量范围，S2是增加键，S3是减小键，每按一下改变1mm。

（4）报警电路

当测量距离超出设计范围时，为给用户以提示，设计了声光报警电路。蜂鸣器和2个LED灯分别接3个I/O口P1.1、P1.2、P1.3予以控制。当测量距离大于设计的上限值时，蜂鸣器响起，且LED灯

2超声波测距系统硬件设计

本测距系统硬件电路以单片机为控制核心，主

要由单片机最小系统、超声波收发模块、显示电路、键盘电路和报警电路几部分组成。单片机选用

AT89S52，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控

制器，具有8K字节可编程Flash存储器，256字节

RAM，32位I/O口线，3个16为定时器/计数器等功

能，足以满足该系统使用。

（1）超声波收发模块

为缩短开发周期，且能有效发射超声波和接收回波信号，本系统采用了深圳市电应普科技有限公司生产的DYP-ME007超声波收发模块，测量范围

D1亮；当测量距离小于设定的下限值时，蜂鸣器响

起，且LED灯D2亮。

VCC5kΩ5kΩ5kΩ5kΩ5kΩ5kΩR11R12R13R14R15R16R17R18111234567895m以内。测距时，首先由单片机的I/O口P1.0发出

一个10μs以上的高电平给Trig（控制）端口，然后检测Echo（接收）端口，当Echo（接收）端口为高电平时，打开单片机定时器计时，当该端口变为低电平时就停止计时，读出定时器的值即为此次超声波由发射到接收所经历的时间，根据波速就可算出待测距离，模块时序如图1所示。

10μs

Trig端口输入波形

超声波的发射

U2OC74ALS573C1D2D3D4D5D6D7D8D1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q1918171615141312U1VCC1AT89S52402P1.0VCC393P1.1P0.0384P1.2P0.1375P1.3P0.2366P1.4P0.3357P1.5P0.4348P1.6P0.5339P1.7P0.63210RSTP0.731VCC11P3.0EA3012P3.1ALE2913P3.2PSEN2814P3.3P2.72715P3.4P2.62616P3.5P2.52517P3.6P2.42418P3.7P2.32319XTAL2P2.22220XTAL1P2.121VSSP2.0S1R24100W4R25100W3R26100W2R27100W1R195kΩ8周期超声波

R205kΩR215kΩ功能键模块VCC3510124711dpgfedcbaR28aaaaDPY_7/4fgbfgbfgbfgbedcedcedcedcdpdpdpdpS4S3S2S112986W4W3W2W1显示模块10ms

S2S3超声波经历时间

Echo端口

输出波形

图2接口电路

3

图1

模块时序图

超声波测距系统软件设计

本系统采用高级语言C来开发程序，开发软件

（2）显示电路

本系统采用4位LED数码管显示，显示距离为

是美国KeilSoftware公司出品的KeilC51，KeilC51软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，使用方便。测距系统软

xxxxmm。接口电路如图2所示，共阳极接法，每位

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Vol.35No.06基于单片机的超声波测距系统设计———王巧花，等第35卷第06期

件设计主要由主程序、显示数据转换子程序、键盘扫描子程序和中断处理程序几部分组成。

主程序流程如图3所示。系统初始化后，使用

由表1可知，利用多次测量取平均的方法，1m范围内测量误差最大不超过5mm，系统稳定性较好，测量误差随着测量距离的增大而增大。

分析该测距系统产生误差的原因，主要有：（1）超声波传播媒质的特性直接影响超声波的传播速度，其中媒质温度是引起波速变化的主要原因。超声波在空气中传播，波速c（m/s）与空气温度T（℃）的关系可表示为

while(1)语句实现如下无限循环。首先由P1.0口置

位超声波收发模块Trig引脚10μs以上，等待其E-

cho回波引脚变高电平时启动定时器IT1开始计

时，同时打开外部中断。然后主程序判断测量成功标志位Succeed_flag是置位还是清零：置位，则成功接收回波，计算出待测距离，并判断是否超限；反之，清零则报警。接着调用显示数据转换子程序得出4位LED数码管显示时对应的每一位数字，即测量距离的个、十、百、千位，显示单位毫米。最后调用键盘扫描子程序。

回波引脚Echo由高电平变低电平时，引起外部中断，即超声波发射模块发射超声波后，经由障碍物反射，被超声波接收模块成功接收，定时器IT1记录了超声波发射和反射所经历的时间。在中断处理程序中读取定时器IT1的值，并置位测量成功标志位。

开始系统初始化c＝331.5+0.607T

该测距系统采用常温下的恒定波速，这是造成测距误差的主要来源之一，可通过温度补偿对波速加以修正，以提高测距精度；

（2）超声波在空气中传播，受空气热对流扰动以及尘埃吸收的影响，声波幅值随传播距离增加成指数规律衰减，使得远距离回波检测误差较大；

（3）测量起始位置与超声波探头中压电晶体所在位置之间的差距引起的误差，超声波收发分体式及干扰信号引起的误差等。

综上所述，多种因素造成一次测量结果可能具有较大误差，除了从硬件改进系统外，也可通过软件技术提高测距精度。比如，同一距离测量多次，首先排除测量结果中的最大和最小值，然后对其余结果取平均值作为最终的测量结果。

While（1）置位超声波收发模块Trig引脚10μsWhile（Echo=0）打开定时器IT1打开外部中断5结语

超声波测距作为非接触测量，应用越来越广泛。

Succeed_flag=1?是计算待测距离否否本文介绍的超声波测距系统，以单片机AT89S52为核心器件，硬件电路设计简单，系统调试方便，可广泛应用于机器人避障系统、倒车雷达系统及物位测量等场合。

参考文献：

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4实验结果及误差分析

设计的超声波测距系统在实验室20～2500mm

67.

［5］祝敏.超声波测距误差分析及修正方法［J］.计量与测试技术，2009，36

测量距离进行了测量，测量数据如表1所示。

表1

测量距离

实验室测量数据表

实际距离D/mm

(2):21-22.

作者简介：王巧花（1977-），女，河南平顶山人，硕士，讲师，

S/mm第1次测量第2次测量平均值误差/%252525250500495500497.50.5750740755747.50.31000102099010050.517501760177017650.85

2111

000990970980121502120212021201.39

2006年6月毕业于中国矿业大学机械电子工程专业，研究方向：机电系统智能控制与自动化，现在郑州轻工业学院机电工程学院工作，电子信箱：wangqiaohua@zzuli.edu.cn.

责任编辑：武伟民收稿日期：2013－12－23

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