基于C8051F020的高精度超聲波測距系統設計

摘要：利用C8051F020單片機設計高精度非接觸式的超聲波測距。該系統利用4個(gè)HC-SR04超聲波測距模塊，四面測距，簡(jiǎn)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、濕度補償，電路使用DS18B20及濕敏電容器HS1101。系統測距范圍2～400 cm，精度1 cm，并采用LCD12864顯示溫、濕度和四面距離。該系統具有結構簡(jiǎn)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(chē)上，用于避障，智能導航等。
關(guān)鍵詞：超聲波測距；智能導航；C8051F020；HC-SRO4

0 引言
超聲波是由壓電陶瓷的壓電效應產(chǎn)生，這種壓電陶瓷傳感器有2塊壓電晶片和一塊共振板，當給它的兩極加頻率等于晶片固有頻率的脈沖信號時(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，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(chǎng)不敏感，不易受干擾。超聲波測距技術(shù)是基于無(wú)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(lái)的時(shí)間間隔長(cháng)短及被反射波的強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(chǎng)、被測物色彩等因素的影響，信息處理簡(jiǎn)單，速度快，成本低。本文采用單片機?？刂瞥暡K發(fā)射接收，并結合溫濕度補償電路，實(shí)現高精度的四周距離檢測。

1 整體方案設計
方案的主要任務(wù)是實(shí)現控制電路對四周的精確測距。通過(guò)MCU端口產(chǎn)生40 kHz的方波信號，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計數，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，結合溫濕度電路的采集的信號轉化出實(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)器的計數值；V為相應環(huán)境下的聲音在空氣中在空氣中傳播的速度。

2 硬件電路設計
2．1 硬件總體設計
整個(gè)系統主要由單片機控制電路，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。其中單片機控制電路是用于控制超聲波產(chǎn)生和轉化外部采集數據；溫度采集電路是用于采集當前外部溫度，得出當前聲速；濕度采集電路是用于采集當前外部濕度得出當前頻率；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各個(gè)模塊提供穩定的電源，保證各部分正常工作。系統總體電路設計如圖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，要求至少10μs的高電平信號，本系統提供40 kHz信號，高電平持續12．5μs。
(2)有信號返回，模塊的輸出I／O口輸出一個(gè)高電平，高電平持續時(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，否則影響測量的結果。