CN103454642A

CN103454642A - 基于单片机的短距离超声波测距系统

Info

Publication number: CN103454642A
Application number: CN2013103994230A
Authority: CN
Inventors: 周成华; 江宁; 于杰
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2013-09-05
Publication date: 2013-12-18

Abstract

一种基于单片机的短距离超声波测距系统，主要包括自带温度补偿功能的超声波传感模块US-100，单片机C8051F340，数码显示管和蜂鸣器。本发明可以实时自动测量距离，特别适用于汽车倒车雷达，从而避免了倒车时可能发生的事故。使用本方法制作的超声波测距系统所涉及的电子器件规格均属通用型，故具有容易采购、工艺简单、生产成本低等特点。在4.5m的量程以内测量精度提高到了0.3cm，在各种测距应用中都具有良好的效果。

Description

基于单片机的短距离超声波测距系统

技术领域

本发明属于声电测量技术领域，特别涉及一种基于单片机的超声波短距离测量系统。

背景技术

近二十多年来各种测距方案层出不穷，先后产生了激光测距，微波雷达测距，红外，CCD立体视觉测距和超声波测距等多种非接触测距方式。其中，因为激光的直线性好，所以测距的精度最高，但它易受环境影响、成本高、维护不便。微波雷达技术同样存在费用问题，故而只在军用领域得到普及应用。红外测距当然价格低廉，制造方便，安全，但精度低、方向性差是其致命缺点。CCD立体视觉系统虽然成本高，但是可以探测前方斜面物体。缺点是受光照、雾霾、雨雪等天气的影响大，并且处理器的开销十分巨大。超声波测距仪器作为非接触测量技术，以其独特的优点而备受消费者的青睐。超声波测距系统不易受光线，天气，电磁波等的干扰，成本低廉，操作方便。而且，超声波可以在固气液等不同形态的物质中传播，对于汽车倒车雷达等测距精度没有过分要求的场合应用尤为方便。现有的超声波测距方案其盲区大部分都在3cm以上，测量精度不足1cm，而且基于分离温度传感器DS18B20的占了大多数，还没有基于集成模块的温度补偿及处理方案。传统方案较少应用报警电路以提示用户超过量程或者一定距离内发出警告。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于单片机（C8051F340）的短距离超声波测距系统，该系统可以实现实时非接触测距，且不受雨雪等天气的影响，自带温度补偿精度高，同时可以报警显示，实现良好的人机交互。本发明原理清晰，所用器件都是常用常提原件，实现简单，单片机功能丰富，如有其它特殊要求，还可以自行扩展功能。

本发明提供的基于单片机（C8051F340）的短距离超声波测距系统，包括单片机C8051F340、自带温度补偿功能的超声波块US-100、数码显示管和蜂鸣器；超声波传感模块US-100与单片机C8051F340双向连接，单片机C8051F340同时分别连接数码显示管和蜂鸣器。

单片机C8051F340是本发明的主控芯片，控制超声波模块工作，并通过自带的定时器计算超声波的收发时间差并得出距离，实时显示在数码管上，当超过系统的量程时单片机驱动蜂鸣器产生警报以提醒用户。

自带温度补偿功能的超声波传感模块US-100，是一个高度集成功能齐全的超声波收发和信号处理模块，精度高处理能力强，在单片机的控制下产生超声波信号，接收超声波信号，同时处理超声波信号，包括完成信号的放大、补偿等。

数码显示采用4位并行显示，用0.56英寸共阳数码管，ss8550三极管并行驱动，可直接与单片机相连，用于实时显示测量距离，实现人机交互。

蜂鸣器受单片机控制，用于提示用户所测距离是否超过量程2cm-4.5m，超过系统量程便以发声的方式提醒客户。

所述的单片机C8051F340有多达64KB的片内FLASH存储器，256字节的RAM，处理能力强，与8051完全兼容，所以，应用电路成熟稳定。其4个通用的16位定时器，40个I/O端口完全满足本系统的设计要求。

所述的自带温度补偿功能的超声波传感模块US-100功能强大，消除了温度变化引起的测量误差，精度高，可达0.3cm，处理能力强，该模块在单片机的电平触发控制下产生40khz的声波，效率最高。US-100超声波测距模块可实现2cm~4.5m的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠，US-100共有VCC、TRIG、ECHO和两个GND共5个接口，其中VCC接5V电源，GND合并接地，TRIG和ECHO分别接单片机的P3.6口和P3.7口。单片机的P3.6口控制发出一个10us的高电平，就可以再P3.7口等待高电平输出，一有输出就可以打开定时器定时，同时模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对结果进行修正，当P3.7变成高电平时，停止计时，根据时间差方可算出距离，如此不断的周期测，就可以达到移动实时测距目的了。

所述的4段数码显示管可以实时显示测量距离，实现人机交互，其中abcdefg和dp分别接单片机的P2.0~P2.7口，显示单位为米。

所述蜂鸣器在测量距离超过2cm-4.5m的测量范围时自动报警，其中单片机的P3.5口通过一个1KΩ的限流电阻接到PNP型三极管8550的基极，集电极接蜂鸣器的正极，该模块可实时提示用户测量距离是否在量程之内。

本发明的优点和有益效果

本发明在与传统超声波测距控制模块、超声波传感模块和显示模块内部组成大致相同的基础上，在元器件参数选择上有所不同。在单片机系列上选择了引脚数更多的、处理能力更强的芯片C8051F340；在超声波发射接收模块上使用了高度集成、功能丰富的US-100，它不仅能够对接收到的超声信号进行放大、检波，而且自带温度补偿功能，修正了温度不同带来的测量误差。同时该模块还具有测量精度高的特点，可达0.3cm，误差只有1%。此外，当测量距离超过系统量程时，蜂鸣器发声以提醒使用者。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明采用单片机C8051F340取代传统的51系列，由于C8051F340引脚数更多，使得该系统能实现更完善的功能，所以该系统可以根据情况适当扩展。C8051F340工作电压范围大（2.7V-5.25V），使得在选择元器件参数上选择性更多，对电源电路要求更低。

2、本发明采用自带温度补偿功能的超声波传感模块US-100，修正了温度变化导致的测量误差，同时该模块还可以对超声波信号进行检波、放大等处理，处理完毕的信号可以送给单片机直接处理。误差小，0.3cm+1%；工作电压范围大，DC 2.4V~5.5V；电流小，2mA；工作温度范围大，-20~+70度，可实现2cm到4.5m大范围的测距目标。

3、本发明采用蜂鸣器和数码管构成的人机交互模块，易于识读，有能有效提示用户该系统的测量范围，使用十分方便。

附图说明

图1是系统整体架构图。

图2是系统主程序流程图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明提供的基于C8051F340单片机的超声波测距系统，具有使用方便、测量精度高，安全性好、节能性强等特点，其内部结构包括有：单片机C8051F340模块，带有温度补偿功能的超声波传感模块US-100，4位显示共阳极数码管，蜂鸣器以及相应的外部电路。

其中，单片机作为主控芯片，统一协调各个模块的工作，接收超声波的回波信号并利用时间差计算距离，同时单片机将测量结果显示在数码管上，当测量距离超过2cm-4.5m的量程时，蜂鸣器自动报警以提示用户。超声波传感模块US-100在单片机电平脉冲的控制下产生40Khz的声波，收到回波后自动进行检波、放大处理并进行温度补偿。

现将各模块元件组成及连线详述如下：

所述的单片机C8051F340模块采用外部晶体振荡的形式，其中P0.2口和P0.3口分别作为XTAL1和XTAL2使用，在这两个端口并联上两个30pF的电容和一个40MHz的晶振，单片机工作时，由P3.6口向超声波模块的TRIG口发射一个10us长度的高电平信号，使超声波模块产生8个40KHz的脉冲，同时单片机内部定时器开始定时，当收到超声波回波信号时，定时结束同时计算出距离并送至数码管显示，如此单片机每隔50ms便重新发送10us的高电平脉冲，系统就可以自动实时测距。当测量范围超标时，单片机驱动蜂鸣器，自动报警。

所述的带有温度补偿功能的超声波测量模块US-100由VCC、TRIG、ECHO、两个GND，VCC接5V电源，TRIG和ECHO分别连接单片机的P3.6和P3.7口，GND则接地，当单片机连续发送脉冲时，超声波发射头发射超声波，当ECHO接收到回波信号时，该模块对此信号进行检波放大处理并进行温度补偿，单片机接收P3.7口接到信号后，可以直接处理。

所述的4位显示共阳极数码管a、b、c 、d、e、f、g、dp ，是段驱动，接单片机的P2.0口至P2.7口。led1， led2， led3 ，led4是位驱动；接单片机的P1.0口至P1.3口。单片机根据超声波的收发时间差，确定待测距离，并将结果送至数码管显示。

所述的蜂鸣器为压电式有源HYD-4218，单片机的P3.5口接上一个1KΩ的限流电阻，至三极管8550的基极，该三极管的集电极连接蜂鸣器的正极。8550为PNP型三极管，当P3.5输出高电平时，集电极有电流通过时，蜂鸣器鸣响，当P3.5输出低点平时，蜂鸣器关闭。

Claims

1.一种基于单片机的短距离超声波测距系统，其特征在于该系统包括单片机C8051F340、自带温度补偿功能的超声波传感模块US-100、数码显示管和蜂鸣器；超声波传感模块US-100与单片机C8051F340双向连接，单片机C8051F340同时分别连接数码显示管和蜂鸣器；

单片机C8051F340作为主控芯片，控制超声波模块工作，并通过自带的定时器计算超声波的收发时间差并得出距离，实时显示在数码管上，当超过系统的量程时单片机驱动蜂鸣器产生警报以提醒用户；

自带温度补偿功能的超声波传感模块US-100，是一个高度集成功能齐全的超声波收发和信号处理模块，精度高处理能力强，在单片机的控制下产生超声波信号，接收超声波信号，同时处理超声波信号，包括完成信号的放大、补偿；

数码显示管采用4位并行显示，用0.56英寸共阳数码管，ss8550三极管并行驱动，用于实时显示测量距离，实现人机交互；蜂鸣器受单片机控制，用于提示用户所测距离是否超过量程2cm-4.5m。