一种超声波测距系统的设计方法

郭星辰

摘要：超声波传感技术目前在电子测量领域应用越来越普及。基于渡越时间检测原理，使用ATMEL公司的AT89S51单片机，提出一种超声波测距系统的设计方法，主要分析了测距原理，给出了超声波发射电路、接收电路等硬件电路设计方法，以及详细阐述了超声波发射和接收、数据处理等软件设计方法。通过对测距系统进行性能分析，表明超声波测距系统工作稳定、性能良好，同时具有低成本、高精度、微型化等优点，具有一定实际应用价值。

关键词：超声波;测距;AT89S51单片机;渡越时间检测

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）17-0035-02

随着电子测量技术的更新迭代，利用超声波检测技术进行距离测量得到普遍应用。超声波指向性比较强，在空气中传播的距离较远，而且能量消耗缓慢、测量稳定性好、测量精度高，同时易于控制与计算，因而适合进行距离测量[1]。基于以上特点，超声波被广泛用于距离测量、物体检测、风速测量等各个领域。

为了更加简单有效地实现超声波测距功能，在性能分析基础上，提出了一种基于ATMEL公司的AT89S51单片机的测距系统设计方法，具有三位数码管显示、设置阈值、超限报警等功能。经测试，该系统测量准确，性能良好。

1 测距原理

渡越时间检测是一种常用于超声波距离测量的检测方法。通过超声波换能器完成超声波的发射与接收。超声波发射换能器发射超声波信号，同时立即启动定时，超声波遇到障碍物反射回来（称之为回波信号），当超声波接收换能器接收到回波信号时，立即停止定时。假设，超声波传播时间为t，传播速度为v，测距系统与障碍物之间的距离为s，则有：s=1/2vt。

其中，常温下超声波在空气中的传播速度v为340m/s，其传播速度v易受温度、湿度等因素影响。为了提高测量精确度，可增加温度传感电路部分，以便对传播速度v进行补偿。

2 系统总体设计

测距系统主要由控制系统电路、数码管显示电路、阈值报警电路、超声波发射电路与接收电路以及电源电路等部分组成。控制系统采用ATMEL公司的AT89S51单片机;超声波发射电路用于驱动换能器发射信号，超声波接收电路主要用于驱动换能器接收信号;显示模块采用数码管显示，用于显示测量距离以及系统状态，显示位数为三位;报警电路采用蜂鸣器报警方式，超过测量最大距离或最小距离，系统均会报警提醒;电源电路提供AC6～9V交流供电或USB直流供电两种方式。系统总统设计框图如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 测距控制系统

系统采用AT89S51型号单片机，该单片机是一种比较典型的51内核单片机，并且使用广泛。为获得稳定的时钟频率，系统使用12MHz频率的晶振，保证测量时间的准确性。单片机P2.7管腳输出所需的40kHz的方波信号，P3.5管脚主要用于接收超声波回波信号。两个按键主要用于设定测距报警值。测距控制系统电路如图2所示。

3.2 超声波发射电路[2-4]

超声波发射电路设计简单、实用，主要由T40超声波换能器、超声波脉冲变压器、9012三极管等部分构成。单片机输出的方波信号经9012三极管送到超声波换能器的一极，驱动其发射超声波信号。通过提高发射电路的功率，从而提高超声波传输距离。超声波发射电路如图3所示。

3.3 超声波接收电路[2-4]

超声波接收电路由放大电路、检波电路、比较整形电路组成。与超声波接收换能器一极相连的单片机P3.5管脚实时监测回波信号。由于超声波在空气中传播时产生的衰减，导致反射回来的超声波信号非常微弱，所以需要通过接收电路将信号进行放大、整形。超声波接收电路如图4所示。

3.4 显示电路

显示电路由三位共阳极LED数码管组成，段码显示由单片机P2口驱动，位码信号通过P3口中的3个管脚控制，利用PNP三极管进行驱动。

3.5 电源电路

系统正常工作时，工作电流约为30～45mA，为保证系统可靠性，供电方式主要为交流AC6～9V。为调试方便，采用另外一种供电方式，由电脑USB口直接供电。交流电经过整流电路、滤波电路后形成直流电。为保证测距系统用电，电源电路中由三端稳压集成电路进行稳压，而后再经电容滤波后输出5V直流电，保证电源供电质量。

3.6 报警电路

测距系统的报警电路主要提供两种报警方式。鉴于篇幅限制，报警电路图不作体现，仅从功能方面进行阐述。

第一种报警方式为单片机P3.1管脚驱动继电器，再由继电器控制报警信号。当测量值低于设定值时进行报警，此时继电器吸合，蜂鸣器鸣响;当测量值高于设定值时，停止报警，此时继电器断开，蜂鸣器停止鸣响。第二种报警方式为单片机P0.2口驱动报警信号，当测量值低于设定值时蜂鸣器鸣响报警，当测量值高于设定值时蜂鸣器停止鸣响报警。

4 系统软件设计

采用Keil uVision4开发环境，使用C语言编写应用程序，主要包括超声波发射子程序、超声波接收子程序、定时器初始化子程序、数码管显示子程序、蜂鸣器报警子程序等。超声波测距系统工作流程图如图5所示。鉴于篇幅限制，该文主要对超声波发射和接收部分进行介绍。

系统使用定时器T0及定时器T1。定时器T0计数，定时器T1定时。进入主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位为1时，测量一次。通过多次测量取平均值，测距间隔中，主要循环显示测量结果。

由于超声波测距系统晶振频率为12MHz，所以控制系统只能产生半周期为12?s或13?s的方波信号，相对应的频率分别为41.67kHz和38.46kHz。而超声波换能器发出的信号需要是40kHz方波信号，经综合考虑，在编程时选用38.46kHz的方波信号，以此驱动超声波换能器工作。

系统发射完超声波信号后，立即开启定时器T0计时。因发射超声波信号后，可能会被接收换能器接收并触发，为防止此种情况发生，系统需要延时约1.5ms～2ms后再启动回波检测程序（这就是盲区值，即最小测量距离）。当接收管脚P3.5电平信号由高电平跳变为低电平时，此时立即停止定时器T0，该段时间即为超声波渡越时间。将测量到的渡越时间以及超声波传播速度代入测距公式，即可获得被测物体与测距系统之间的距离。

5 测试结果分析

从测试结果来看，该测距系统测距范围为40cm～700cm，符合设计要求。不过距离及精度方面还存在以下问题：一是测距盲区值较大，主要原因是为增大测量距离，提高了超声波的发射功率，这会加大超声波余振时间，在设计中需要综合考虑功率及测量盲区因素;二是测量精度需要进一步提高，可以通过增加温度补偿模块对测量结果进行修正。

6 结束语

该文分析了一种超声波测距的设计方法，系统介绍了渡越时间检测方法、软硬件设计方法以及性能测试情况，指出了产生测量距离以及精度问题的原因。该超声波测距系统具有开发简单、易于实现、性能可靠等优点，具有一定的实用价值。

参考文献：

[1] 陈蔚.超声波测距仪的设计和实现[J].数字技术与应用，2018，36（5）：182-183.

[2] 王书侠，王国新，刘智超.一种简易超声波测距装置的设计与实现[J].仪表技术，2021（3）：23-24，66.

[3] 时杨，杨澳妮，吴若洁，等.超声波测距仪的设计与研究[J].电声技术，2020，44（6）：66-69，73.

[4] 崔靓，王冠龙，朱学军.超声波测距系统的设计与实现[J].传感器与微系统，2019，38（1）：72-74，78.

收稿日期：2022-03-23