基于C8051F020的高精度超聲波測距系統(tǒng)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(tǒng)利用4個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)具有結構簡單，工作可靠，精度高的優(yōu)點，實時顯示四周障礙距離及溫、濕度，可置于小車上，用于避障，智能導航等。
關鍵詞：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，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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，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間間隔長短及被反射波的強弱判斷障礙物的性質和位置的方法。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?？刂瞥暡K發(fā)射接收，并結合溫濕度補償電路，實現(xiàn)高精度的四周距離檢測。

1 整體方案設計
    方案的主要任務是實現(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，發(fā)送至HC-SR04超聲波測距模塊的發(fā)射引腳，發(fā)射后定時器T1計數(shù)，并等待接收引腳電平變低，將定時器T1關閉，讀出定時器的寄存器中的值，結合溫濕度電路的采集的信號轉化出實時的聲速和頻率，利用公式：
    L=TV／2
    式中：L為距離；T為定時器的計數(shù)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
    整個系統(tǒng)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(shù)據(jù)；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顯示器是用于實時顯示環(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(tǒng)提供40 kHz信號，高電平持續(xù)12．5μs。
    (2)有信號返回，模塊的輸出I／O口輸出一個高電平，高電平持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測距距離=(高電平時間×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。
2．3 溫、濕度采集電路
    環(huán)境溫度采集部分是提高超聲波測距精度的關鍵。采用Dallas公司的DS18B20 1-wire數(shù)字溫度傳感器，使用一根信號線實現(xiàn)信號的雙向傳輸，接口簡單，便于擴展和維護。聲速和溫度的關系：溫度越高，聲速越大。
    c=331．45+0．61T
    式中331．45是溫度在0℃度時聲音在空氣中的速度。就是說在地面上溫度每升高1℃，聲速增加約0．61 m／s。本系統(tǒng)就是依據(jù)這一原理提高測距精度。
    環(huán)境濕度采集部分主要由濕敏電容器HS1101，555定時器TLC555和其他外圍電路元件構成。濕度測量電路本質是濕敏電容器的電容值與相對濕度變化的關系構成的振蕩電路。通過測量555的輸出頻率，即可根據(jù)頻率、濕度關系算出濕度。
2．4 數(shù)據(jù)顯示
    數(shù)據(jù)顯示部分通過C8051F020的端口P2作為與LCD12864通信的8位數(shù)據(jù)線，主要完成通信數(shù)據(jù)和實時信息的顯示。
2．5 系統(tǒng)供電
    系統(tǒng)正常工作需要+5 V和+3．3 V電壓供電。將市電220 V／50 Hz通過9 V／10 W變壓器降壓變換后，經(jīng)過電橋整流和濾波產(chǎn)生DC 9 V，通過LM7805，ASM1117—3．3穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定+5 V和+3．3 V給整個系統(tǒng)供電。由于系統(tǒng)正常工作下電流較大，LM7805需要加散熱片，以保持系統(tǒng)長時間穩(wěn)定工作。

3 軟件設計
    系統(tǒng)的軟件部分主要完成以下功能：系統(tǒng)上電，初始化各模塊，然后讀取環(huán)境溫、濕度，將測量值轉化為顯示。啟動測距模塊，讀取4個方向的定時器值，系統(tǒng)采用先后順序啟動4個測距，將計數(shù)值都保存在定時器1上，為避免混淆，采用實時讀取顯示，下次測距時，只需覆蓋定時器1上次的計數(shù)值。用12864顯示時，由單片機根據(jù)當前溫度，依據(jù)上面提到的公式轉化。
    基于STC89C52的高精度超聲波測距系統(tǒng)控制過程如圖2所示。

4 結語
    對于C8051F020構成的超聲波高精度測距系統(tǒng)進行功能驗證，系統(tǒng)在2～400 cm范圍內，能完成對四周障礙距離數(shù)據(jù)實時測距，且測量誤差小于1 cm，溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常。系統(tǒng)人機界面友好，操作簡單、可移植性好，可置于小車上用于避障或智能導航，只需外加接口，方便用于商業(yè)用途。