基于C8051F020的高精度超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用C8051F020單片機(jī)設(shè)計(jì)高精度非接觸式的超聲波測距。該系統(tǒng)利用4個(gè)HC-SR04超聲波測距模塊，四面測距，簡化電路，減少了其他電路對超聲波測距的干擾。在提高精度方面采用溫、濕度補(bǔ)償，電路使用DS18B20及濕敏電容器HS1101。系統(tǒng)測距范圍2～400 cm，精度1 cm，并采用LCD12864顯示溫、濕度和四面距離。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，精度高的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)時(shí)顯示四周障礙距離及溫、濕度，可置于小車上，用于避障，智能導(dǎo)航等。
關(guān)鍵詞：超聲波測距；智能導(dǎo)航；C8051F020；HC-SRO4

0 引言
超聲波是由壓電陶瓷的壓電效應(yīng)產(chǎn)生，這種壓電陶瓷傳感器有2塊壓電晶片和一塊共振板，當(dāng)給它的兩極加頻率等于晶片固有頻率的脈沖信號(hào)時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。它的頻率高于20 kHz，具有方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能的優(yōu)點(diǎn)，且對色彩，光照度，電磁場不敏感，不易受干擾。超聲波測距技術(shù)是基于無目視能力的生物(蝙蝠等)防御及捕捉獵物生存的原理，利用超聲波在空氣媒介中傳播，碰到障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短及被反射波的強(qiáng)弱判斷障礙物的性質(zhì)和位置的方法。它是一種非接觸式檢測方式，它不受光照度、電磁場、被測物色彩等因素的影響，信息處理簡單，速度快，成本低。本文采用單片機(jī)?？刂瞥暡K發(fā)射接收，并結(jié)合溫濕度補(bǔ)償電路，實(shí)現(xiàn)高精度的四周距離檢測。

1 整體方案設(shè)計(jì)
方案的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)控制電路對四周的精確測距。通過MCU端口產(chǎn)生40 kHz的方波信號(hào)，發(fā)送至HC-SR04超聲波測距模塊的發(fā)射引腳，發(fā)射后定時(shí)器T1計(jì)數(shù)，并等待接收引腳電平變低，將定時(shí)器T1關(guān)閉，讀出定時(shí)器的寄存器中的值，結(jié)合溫濕度電路的采集的信號(hào)轉(zhuǎn)化出實(shí)時(shí)的聲速和頻率，利用公式：
L=TV／2
式中：L為距離；T為定時(shí)器的計(jì)數(shù)值；V為相應(yīng)環(huán)境下的聲音在空氣中在空氣中傳播的速度。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 硬件總體設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制電路，超聲波測距模塊，溫度采集電路，濕度采集電路，LCD顯示器和電源電路組成。其中單片機(jī)控制電路是用于控制超聲波產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化外部采集數(shù)據(jù)；溫度采集電路是用于采集當(dāng)前外部溫度，得出當(dāng)前聲速；濕度采集電路是用于采集當(dāng)前外部濕度得出當(dāng)前頻率；LCD顯示器是用于實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度，濕度及電路所測四周的距離。電源電路是用于為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的電源，保證各部分正常工作。系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

2．2 超聲波測距模塊
HC-SR04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。
基本工作原理：
(1)給模塊的發(fā)射I／O口送入超聲波信號(hào)，要求至少10μs的高電平信號(hào)，本系統(tǒng)提供40 kHz信號(hào)，高電平持續(xù)12．5μs。
(2)有信號(hào)返回，模塊的輸出I／O口輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測距距離=(高電平時(shí)間×聲速)／2。
(3)被測物體的面積不少于0．5 m2且平面盡量要求平整，否則影響測量的結(jié)果。