雷文礼，任新成，邵婷婷
（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000）
摘要：随着计算机技术的飞速发展，芯片价格日益降低，可靠性稳步提升，用智能技术为人们的生产和生活提供便利成为一种迫切的需求。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段，有效避免了测距人员与危险环境的接触，可以很好地满足无线测距的现实需求。这里设计一种可以实时测量的便捷式测距系统，该系统可对障碍物实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。
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关键词 ：超声波；STC89C52；无线测距；实时性
中图分类号：TN912.203.1?34；TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）15?0012?03
收稿日期：2015?02?05
基金项目：延安市科学技术研究发展计划项目（2014KG?04）；陕西省教育厅科研计划项目资助（14JK1829）；陕西省科学技术研究发展计划项目（工业攻关）（2014K05?61）；国家自然科学基金（61379026）
在人们的日常生活和工业生产现场中，经常会碰到一些需要非接触测距的场合，如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷。超声波测距作为一种便捷的无线测距手段，有效避免了测距人员与危险环境的接触，可以很好地满足无线测距的现实需求，获得了广泛的应用[1]。本文设计一种可以实时测量的便捷式测距系统，该系统可对障碍物实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。
1 超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，同时开始计时[2]，当超声波接收器收到超声碰到障碍物后的反射波时，立即停止计时，记录时间t。根据超声波在空气中的传播速度和计时器记录的时间t，用速度距离公式，可以计算出发射点距障碍物的距离S，即：S = 340t 2。
在测距时，当传播介质温度变化不大时，近似认为超声波速度在传播的过程中是不变的，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离，如图1所示。
式中L 表示两探头之间中心距离的一半。
超声波的传播距离为：
式中：v 为超声波的传播速度；t 为从发射到接收所用的时间。
将式（2），式（3）代入式（1）中，得：
当需要测量的距离H ? L 时，则式（4）变为：
所以，这里需要精确测量出超声波传播的时间t，就可以根据上述公式，计算出需要测量的距离H。
2 系统设计
本系统按模块划分为测距模块、控制模块、显示模块、报警模块[3]，如图2所示。电路结构可划分为超声波传感器电路、报警电路、单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是该设计的中心单元。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[4]。
2.1 硬件电路设计
硬件电路总设计如图3所示，该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[5]。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HC?SR04 超声波模块，该模块包括超声波发射器、接收器与控制电路，具有2~400 cm的非接触测距功能，精度可达3 mm，模块采用I/O口TRIG触发测距，可自动发送8个40 kHz的方波，并检测是否有信号返回。若有信号返回，则通过I/O 口ECHO 输出一个高电平，该高电平的持续时间即为超声波从发射到返回[6]的时间t。
测试距离= (高电平时间× 340) 2
超声波模块如图4所示，供电电压VCC 为5 V，TRIG为触发控制信号输入，ECHO为回响信号输出线。
本文设计采用定时器0 进行时间测量，设置TCNTT0为预设值0XCE，8分频，当定时器0溢出中断发生2 500次时为125 ms，计算公式如下（单位：ms）：
T = (定时器0溢出次数× (0XFF?0XCE))/ 1 000
式中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。显示模块采用LCD1602 字符型液晶显示电路，显示接口电路如图5所示。
声音报警电路采用三极管、电阻和一个扬声器连接到主控制器的P13引脚上，构成一个声音报警电路，如图6所示。
本设计中复位电路采用在RESET端持续给出2个机器周期的高电平，复位电路如图7所示。
电源部分的设计采用3节5号干电池4.5 V供电。
2.2 软件设计
系统主程序工作流程如图8所示。
系统启动后，首先自动进行初始化，然后用测定距离和设定值进行比较，如果大于设定值则返回初始化，如果小于设定距离便启动报警器，然后进行距离比较，如果依然大于设定值便结束报警。
3 结语
本文设计了一种基于单片机的超声波测距系统，并对系统的软硬件实现和电路连接图进行了详细描述，该系统能对中近距离障碍物进行实时测量，具有操作简单，可靠性高的特点。该系统可广泛应用于汽车倒车雷达等现实应用中，并为其他无线测距方案提供了借鉴。
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参考文献
[1] 吴政江.单片机控制红外线防盗报警器[J].实用电子制作，2006（12）：26?28.
[2] 宋文绪.传感器与检测技术[M].北京：高等教育出版社，2004.
[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.
[4] 唐桃波，陈玉林.基于AT89C51的智能无线安防报警器[J].电子设计应用，2003（6）：49?51.
[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.
作者简介：雷文礼（1982—），男，讲师。主要研究方向为无线通信技术、通信系统与终端设计。
