基于单片机的超声波测距仪设计

  STC89C52是STC系列单片机里应用较为广泛的一款，在自动控制领域里享有很高的价值，以其易用性和多功能性受到了广大电子设计爱好者的好评。本次设计主要是利用STC89C52单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作，以STC89C52为主控芯片，利用超声波对距离的检测，将前方物体的距离探测出来，然后单片机处理运算，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时，STC89C52发出指令控制蜂鸣器报警。

  由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可大范围的应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检验测试往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。

  本设计包括硬件和软件设计两个部分。模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。电路结构可划分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元,当测得的距离小于设定距离时，主控芯片将测得的数值与设定值进行比较处理。然后控制蜂鸣器报警。系统总体的设计方框图如图1所示。

  硬件电路总设计见图3，从以上的分析可知在本设计中要用到如下器件： STC89C52、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。其中D1为电源工作指示灯。电路中用到3个按键，一个是设定键, 一个加键，一个减键。

  超声波模块采用现成的ＨＣ－ＳＲ０４超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz的方波，自动检验测试是否有信号返回；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。实物如下图4。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。

  超声波探测模块HC-SR04的使用方法如下：IO口触发，给Trig口至少10us的高电平，启动测量；模块自动发送8个40Khz的方波，自动检验测试是否有信号返回；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*340）/ 2，单位为m。程序中测试功能主要由两个函数完成。

  实现中采用定时器0进行定时测量，8分频，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：ms）：

  声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉范围如图5所示。

  由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。

  声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。

  超声波之所以能在各个工业部门中得到普遍的应用，根本原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。

  当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生一些变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。

  完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测方面。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

  超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能都是不同的，个人会使用前必须预先了解地清清楚楚该探头的性能参数。

  （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作时候的温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作时候的温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要根据制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。

  人类能听到的声音频率范围为：20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下频率的声音称为低频声波，20kHz以上频率的声音称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中的传播速度较慢，为340m／s，这就使得超声波传感器使用变得很简便。我们选用压电式超声波传感器。它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷，是利用压电材料的压电效应来进行工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，由此产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。

  为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。总体上讲，超声波发生器大体能分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

  压电式超声波发生器其实就是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。如图6所示。

  市面上常见的超声波传感器多为开放型，其内部结构如图7所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并能有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。

  当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。

  超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。

  波的传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是3×108m/s，而声波在空气中的传播速度很慢，约为344m/s (20℃时)。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就从另一方面代表着能够得到较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使我们有可能是在做测量时获得很高的精确度。

  要探测某个物体是不是真的存在，超声波就能够在该物体上得到反射。由于金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸等可以反射近乎100％的超声波，因此我们大家可以很容易地发现这些物体。由于布、棉花、绒毛等能吸收超声波，因此很难利用超声波探测到它们。同时，由于不规则反射，通常可能很难探测到凹凸表面以及斜坡表面的物体，这一些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所，并且测试物体必须反射超声波。

  声波传播的速度“c”可以用下列公式表示。c=331.5+0.607t (m/s)式中，t=温度 (℃)也就是说，声音传播速度随周围温度的变化而不一样。因此，要精确的测量与某个物体之间的距离时，始终检查周围温度是十分必要的，尤其冬季室内外温差较大，对超声波测距的精度影响很大，此时可用18B20作温度补偿来减小气温变化所带来的测量误差，考虑到本设计的测试环境是在室内，而且超声波主要是用于测距功能，对测量精度要求不高，所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。

  传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，是因为衍射现象所导致的在球形表面上的扩散损失，也是因介质吸收能量产生的吸收损失。如图8所示，超声波的频率越高，衰减率就越高，超声波的传播距离也就越短，由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。

  灵敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”为所产生的电压 (Vrms)，“P”为输入声压(μbar)。超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围，如图7所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图，从图中不难发现40KHz时传感器的声压级最高，也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高。

  把超声波传感器安装在台面上。然后，测量角度与声压 (灵敏度) 之间的关系。为了准确地表达辐射，与前部相对比，声压 (灵敏度) 级衰减6dB的角度被称为半衰减角度，用θ1/2表示。超声波设备的外表面尺寸较小易于获得精确的辐射角度。如图11所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。

  分析以上研究结果显而易见超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度。

  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马停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2

  最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立马停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。

  由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质气温变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基础原理。如图12所示：（见附件）

  其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远大于L时,则(3—4)变为:

  XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

  因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us。如图13所示为时钟电路。

  复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就能够实现复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号维持的时间应不小于2us。本设计采用的是自动复位电路。如图14示为复位电路。

  如下图所示，用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P13引脚上，构成声音报警电路，如图15示为声音报警电路。

  本设计研究了一种基于单片机技术的超声波智能测距报警系统。该系统通过以STC89C52单片机为工作处理器核心，超声波传感器，它是一种新颖的被动式超声波探测器件，能够以非接触测出前方物体距离，并将其转化为相应的电信号输出.该报警器的最大特点是使用户能简单易操作、易懂、灵活；且安装便捷、智能性高、误报率低。随着现代人们安全意识的增强以及科学技术的加快速度进行发展，相信报警器必将在更广阔的领域得到更深层次的应用。

  [1] 吴政江. 单片机控制红外线防盗报警器[J]. 锦州师范学院学报, 2001.

  [3] 余锡存. 单片机原理及接口技术[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2000.

  [5] 李全利. 单片机原理及接口技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004.

  [6] 薛均义, 张彦斌. MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2005.

  [7] 徐爱钧, 彭秀华. 单片机高级语言C51应用程序设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.

  [8] 康华光. 电子技术基础（模拟部分）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.附录

  引 言 人机界面(human-computer interface)，又称用户界面、人机交互、人机接口等，是人与机器之间传递、交换信息的媒介．是用户使用计算机系统的综合操作环境。在商品竞争中，一个应用系统的成功与否在某一些程度上也取决于用户使用界面的感受好坏，因此，人机界面的设计在应用系统的设计中有着重要的作用。嵌入式系统强调人机界面操作的实时性，简单化，强调在特定平台上特定应用的时间空间效率。在传统的小系统模块设计中。程序设计一般都会采用前后台工作方式。应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应的操作，时间相关性很强的关键操作(crltical operation)是靠中断服务来保证的。因为中断服务提供的信息一直要等到后台

  电路很简单八个led灯接在p1口.运行后看到的效果是 从第一个灯开始 跟着时间变化 二进制数的递减 所有的灯都会依次的点亮，当全部的灯都被点亮后再重新开始这样的一个过程 一直循环下去 单片机是否很有趣？ 下面是c语言程序源码 #include reg51.h void delay100ms(); //如果函数是在主函数后面定义，那么一定要在主函数前面声明 void main() { int i; i=0xfe; while(1) {P1=i; i--; delay100ms(); if(i==0) i=0xfe; } } void delay100ms(vo

  在有些应用场合下，CPU只需间断性工作或对外部事件作出处理，平时处于待机状态。PIC16C5X单片机有一种节能方式，睡眠(SLEEP)方式，在这种状态中，振荡驱动器停止工作， I/O口保持执行SLEEP指令前的状态，从而大幅度的降低系统功耗。由于PIC16C5X单片机无中断功能，要退出睡眠方式，只有两种方法： (1)“看门狗”(WDT)溢出。 (2)在复位脚加低电平，而使芯片复位。本文采用第二种方法。在图1给出的例子中，PIC16C5X平时处于睡眠态，当任意一键按下时，将它从睡眠状态中唤醒，进行键盘处理。为便于说明，在本例中，SW1按下时，点亮，如下图所示 绿灯;当SW2按下时，红灯亮。

  睡眠状态退出方法介绍 /

  随着汽车电子业的迅猛发展，智能车作为电子计算机等最新科技成果与现代汽车工业相结合的产物，因其具有的智能特点而成为研究重点。“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛在此背景下产生，竞赛规则规定。赛车在设定的赛道上能够自主行驶，并以最短的时间跑完全程者获胜。因此，智能车硬件不停地改进革新以适应小车的速度要求。本文以MC9S12XSl28为核心处理器，通过实验比较智能车各个模块电路设计的具体方案，从而设计出稳定性很高的硬件电路，经大赛实际检验性能好稳定。 1 系统整体方案设计 1．1 智能车功能设计     根据大赛规则，智能车应具有路径识别、方向控制、速度控制、状态检测等功能，设计采用大赛指定的飞思卡尔16位微控制器MC9S12X-Sl2

  基础元件初始化步骤 一、GPIO （1）、确定GPIO的方向：DDRx （2）、访问GPIO口：PORTx、PTx 注意：输入输出时引脚的初始状态 二、中断 （1）、确定中断的有效信号特性：上升/下降 （2）、使能中断 （3）、开总中断：EnableInterrups; 三、串口通信SCI（别的单片机为UART） SCI串行通信的基本编程方法： ①初始化：设置波特率寄存器、设置控制寄存器1和设置控制寄存器2； ②发送数据：先判断TDRE位是不是能够发送数据，可以时再发送（while（！SCI0SR1_TDRE）;） ③接收数据：先判断RDRF位是不是能够接收数据，可以时再接收（whi

  摘要：一种改进架构的高性能8051设计、外围功能集成、选用合适的时钟源以降低功耗；并介绍节省电能的软件技术及采用待机模式降低功耗的技巧。 关键词：停机模式 空闲模式 功率管理模式 便携式产品的功能和性能日新月异。 花了钱的人产品性能的要求也慢慢变得高，需要更强大的运算能力支持；另一方面，希望产品具有更低的功耗。 尽管已然浮现了很多功耗处理器，但它们的性能通常很有限。Dallas公司的系列高速微控制器在性能和功耗之间取得了一个很好的折衷，采用了8051架构——世界上最流行的微控制器之一。简单易用、丰富的I/O资源使这种微控制器深受设计者的喜爱，并被广泛接受。它的流行势头已蔓延到了便携式领域，在很多应用中都有其用武之地。 本文

  摘要： “网络通”是基于普通单片机的廉价以太网测控网关。它可以将具有RS-232、RS-485等接口的测控设备简单而且直接地连接在以太网（因特网）上，利用丰富的现成的以太网资源，组成一系列以太网的分布式测控系统。     关键词： 以太网分布式测控系统 以太网测控网关 网关 网络通 1 概 述 利用现有以太网（因特网）的丰富资源，组建以太网分布式测控系统是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。组建以太网分布式测控系统的关键设备是以太网测控网关，而以太网测控网关的组成方式有以下三种。 第一种是在20世纪90年代中期，人们采用PC机+网卡+采集插卡组成以太网测控网关，进行协议转换，将由现场

  1、概括：一颗芯片+7个阻容构成超声波模块。采用RCWL-9600测距芯片。 2、测量操作：GPIO、UART、IIC获取数据。采用GPIO，其它见芯片手册。 3、模块原理图。 4、程序。采用TIM测脉宽。

  测距 /

  控制的步进电机定频脉宽调制可变细分驱动系统

  实现小体积300W BLDC马达控制

  的空间矢量脉宽调制

  Battery Management System Solutions: 36 V and beyond from BMS ICs to the

  学习赢京东卡 从12V电池及供电网络优化的角度分析电动汽车E/E架构的趋势

  有奖直播 同质化严重，缺乏创新，ST60毫米波非接触连接器，赋予你独特的产品设计，重拾市场话语权

  【下载】LAT1362 利用STM32 TIMER触发ADC实现分组转换

  【下载】LAT1334 基于MCSDK5.4.8电机库修改两电阻采样方法

  【下载】LAT1347 基于STM32CubeIDE移植ClassB 4.0

  【下载】LAT1340 STM32H5读取温度传感器校准值时进HardFault的原因分析

  【生态】使用STM32CubeMX在STM32U5上配置LPBAM应用程序

  【MPU】轻松使用STM32MP13x如MCU般在Cortex A 核上裸跑应用程序

  【新品】STM32H5-Arm® Cortex®-M33 内核，主频高达250MHz，提升性能与信息安全性

  【新品】STM32MP13X-支持Linux、RTOS和Bare Metal应用,新一代通用工业级MPU

  【新品】Arm® Cortex®-M33处理器内核，运行频率160 MHz，基于Armv8-M架构并带有TrustZone®

  【新品】降本增效这事儿，就看STM32C0，低至0.24美元” ，开机即可物联世界

  【GUI开发】TouchGFX 4.23：支持矢量字体，节省Flash，更丰富的UI！

  【边缘AI】突破边缘AI应用的次元壁：首届意法半导体边缘人工智能峰会举行

  【生态系统】STM32CubeProgrammer和STM32CubeIDE协同调试的方法

  【无线携手创新微MinewSemi共创低功耗模块，引领中国智能连接未来

  Microchip推出集成微型FPGA的PIC16 微控制器，售价不到 50 美分

  Microchip 现在提供一款基于闪存的微控制器，集成可编程逻辑块，其售价不到50美分。 Microchip PIC16F13145 系列的九个新产品，与其他 ...

  XL2403 内置了2 4GHz 数据收发芯片和带USB驱动高性能的微处理器，采用TSSOP16 薄体封装，适用于 PC 外设和其他带操作系统的控制平台的 ...

  电动剃须刀由不锈钢网罩、内刀片、微型电动机和壳体组成，其中主控方面控制按键开关、电机驱动、电源管理等，为保证性能，电动剃须刀需要选 ...

  XL2403 内置了2 4GHz 数据收发芯片和带USB驱动高性能的微处理器，采用TSSOP16 薄体封装，适用于 PC 外设和其他带操作系统的控制平台的 ...

  TICC2541CC2541F256RHAR集成了增强型8051MCU超低功耗蓝牙芯片2 4GH符合低能耗规范和私有的RF片载系统支持250kbps，500kbps，1Mbps，2Mbps的 ...

  站点相关：综合资讯51单片机PIC单片机AVR单片机ARM单片机嵌入式系统汽车电子消费电子数据处理视频教程电子百科其他技术STM32MSP430单片机资源下载单片机习题与教程