基金项目：铜陵学院2022年大学生创新创业比赛

项目名称：基于单片机的超声波测距系统的设计

项目编号：S202210383316

1.引言

1.1研究背景及目的和意义

近年来，基于计算机以及自动化控制等科学技术的发展，测距问题在工业领域中越来越受重视，受到了极大的关注。在工业领域，传统的接触式测量方式（比如钢卷尺测量）受制于环境、空间等因素，导致其具有无法精准测量，测量精度低以及无法精确检测微小变形等缺陷，因此迫切需要一种非接触式的测距方式来弥补传统测量方式所带来的不足。

基于超声波自身具备的一些优势，使得超声波测距较传统的测距方式更敏捷、简洁、设计简明易了、有利于实现实时的精准控制，并且在测量精度方面也能符合工业的要求。简而言之，这是一个正在蓬勃发展且又具有广阔前景的技术以及产业领域。因此，超声波测距的深入研究不仅具有一定的理论价值和现实意义，而且还能对进一步改善人们的生活方式，比较符合日益发展的社会需求。此外，通过对本课题的分析与研究，还能进一步提高自己电路设计的水平，并能加深对单片机的理解与应用。

1.2研究现状以及发展趋势

超声波是一种频率高于20KHz的高频振动声波，这种声波是无法用人耳听到的。超声波的研究可以说是历史悠久，其首次产生可认为是来源于一次气哨实验，所产生的声波频率高达3104Hz。至此之后，超声波逐渐走进人们的视野，但受限于当时的科技，使得超声波初始时的发展十分缓慢，再加上当时人们当时对超声波的认知程度不高，且了解较少，所以在那个年代人们对超声波的研究并不是很深入。直至过了很久以后，一位法国学者通过在水中使用某种晶体传感器来接收频率相对较低的超声波，同时并指出可以将超声波技术应用于水中，不仅能用于水中通信，还可用于检测水中的潜艇，至此以后超声波技术才逐渐进入人们的视野之中，逐步被深入研究。

2.超声波特征

2.1超声波基本特性

超声波的传播媒介非常广泛，不仅有固体，液体，气体，还有固熔体等，这是其它的声波无法比拟的。同时，它不但能传递能量，也能引起反射、干涉、叠加、共振等现象。而当介质为流体时，超声波在传递时会发生撞击和空化。简而言之，超声波的基本特性可归结如下：

（1）具有良好的指向性：一般的声波在传播的时候其方向都是不具有指向性，都是往四周发散的，例如人说话时所产生的声音，是往四面八方进行发散式传播的，且不可人为的控制其向某一特定方向传播。但超声波不同，超声波可以向某一特定位置传播。根据这一特性，可人为的让超声波按照我们所想传播的方向进行传播。

（2）具有较强的穿透力：超声波在不同的介质中衰减程度是不一样的，在空气中衰减程度较大，而在固、液体中并不是很明显。如果超声波在传播途中频率变大，此时外界物质对其吸收能力也会越强，由此一来穿透力也会相应衰减。但其他声波相比，在穿透能力方面超声波还是占据较明显的优势，如超声波可以穿透很厚的钢板。

（3）超声波的抗干扰能力强于其它声波：外界环境中一些较明亮的光源对超声波的影响特别小，基于此，即使在光线黯淡或者电磁波干扰强劲的环境下，超声波仍可正常工作。这是其他可闻声波所不具备的。

（4）与其它声波一样，超声波必须要有实质物体才可以进行传播，不可以在真空环境下传播。

2.2超声波测距原理

图2-1展示了超声波测距的原理示意图，从研究开始至今，超声测距的原理一般有三种：渡越时间法、声波幅值法、相位法。以下对其进行简单介绍。

图2-1超声波测距原理图

渡越时间法是较为常用的一种方法。其原理如下：超声波传输机发出的超声波在遇到障碍时会立刻反弹，一旦传回的超声波被成功地接收，就会立刻停止计时器。从开始计时到结束计时的这段时间的差值就是超声波在探测器和障碍物之间来回所花费的时间，假设超声波的传播速度是，此时可计算出出发点到障碍物体的间距，计算方法如下：

                                 （2.1）

声波幅值检测法：超声波发射后遇到障碍物就会返回来，然后由返回的超声波的幅值来判定距离。该方法简单，但也有缺点，即传播过程中超声波的衰减问题会影响到测量结果，因为在不同的介质中超声波的衰减程度是不一样的，在一些衰减程度很大的介质中，测量误差很大，以至于测量精度就很低。因此，实际应用中声波幅值检测法用的很少。

相位检测法：先发送某一频率、相位确定的正弦波，当遇到障碍物后返回，这时根据返回的超声波与最初的发射波的相位差就可以算出来距离。该检测方法精确度高，但可测量的距离短，范围小。

3. 系统硬件设计

3.1单片机最小系统

我们使用的是51系列单片机STC89C51，该系列芯片从管脚到内核均与8051单片机兼容，说其是新一代的8051单片机也不为过，不仅具有高速低功耗的优点，而且工作效率最高可达25MHz-50MHz；STC89C51单片机具有比较宽泛的工作电压，其中3.3V型号工作电压范围是2.0V-4.0V，5V型号下具有3.4V-6.0V电压范围；除此之外，STC89C51单片机不仅包含两种编程方式（即ISP和IAP）和6时钟机器周期模式，而且还具有可降低对外部电磁辐射、置看门狗电路、软复位功能以及校稿的性价比等特点。

STC89C51微处理器的具体组成：8位 CPU；一个振荡器和一个对应的时钟电路；Flash程序内存（4 KB)；数据存储（128 bit RAM)；16比特定时/计数装置2个；32个可编程输入/输出线路（4个8比特的 I/O口）；一种可编程全双工串行通讯；八个中断来源和两个优先嵌套的中断结构。

图3-2是STC89C51单片机电路图，其功能介绍如下：

（1）P0口（39-32脚）：是一个8位漏极电路的双向I/O口，每个端口都能独立地进行控制。51系列单片机的P0口不能正常地输入高电平或低电平，这是因为其内部没有上拉电阻，这会导致该口一直处在高阻状态，进而无法进行正常的工作。在实际操作中，为了让其正常的进行工作，我们一般需要添加一个上拉电阻，通常是10千欧的电阻。

（2）P1口（1-8脚）：一个准双向8位I/O口，每个端口仍然可以进行单独的控制。称它为准双向I/O口的原因有两个，一是因为其部虽含有上拉电阻但不能进行输入所存，二是因为需要先往P1口写入1才能把P1口作为输入口使用，也即再次致歉会有一个准备程序。

（3）P2口（21-28脚）：是准双向8位I/O口，每个端口都能独立地进行控制，并与P1端口一样，具有上拉电阻。

（4）P3口（10-17脚）：是准双向8位I/O口，且各口均可被独立控制，自身是包含上拉电阻的。该口有两功能，一是可作为普通I/O口使用，另一个功能具体如表3-1。

图3-2单片机最小系统电路图

表3-1 P3口中各引脚第二功能定义

3.2时钟模块

在实际的工作中，若采用了单片机本身所具有的时钟电路，则一般采用XATL1、XATL2来完成对石英晶体的解析及微调电容，详情如图3-3，这里的晶体选择通常是3M-24M，而电容一般是30pF左右。

3.3超声波模块

本文使用HC-SR04来进行超声波的发送和接收，其电路图如图3-4所示。HC-SR04包括4个引脚，即VCC、GND、Trig、Echo。这里VCC一般是用于连接+5V的电源；GND是来接地；Trig是用来实现触发测距的引脚，能提供较高的电平；Echo是用来接收信号的引脚，即当接收到返回的信号时，该引脚会将状态切换至1，且延续一段时间，其延续时间就是超声波从发射到接收这个过程所消耗的时间。

HC-SR04的工作原理有以下几点：（1）首先要为Trig触发控制信号IO端口提供至少10us的高电平信号；（2）该组件会直接释放8个40KHz的方波，且模块可以完成对返回信号的检测；（3）基于上述的检测，如果检测到返回信号，此时，Echo输出端将给出一个高电平的信号，这个信号的持续时间可以被看作是超声波从发送到返回所花费的时间；（4）因为是发送了8各方波，那为了防止发射信号对返回信号会产生影响，要求两次测距时间至少要间隔60ms。

在实际的操作中，VCC与+5V电源连，GND与地相连，Trig与Echo分别与STC89C51单片机中的IO口相连接，即P2.0与P2.1。

参考文献

[1] 李茂山. 超声波测距原理及实践技术[J]. 实用测试技术, 1994, 20(1): 12-20.

[2] 罗紫阳, 陈鹏. 基于单片机控制的超声波测距系统设计与实现[J]. 数字通信世界, 2019 (6): 91-91.

[3] 邝爱华, 李平. 基于单片机的超声波测距系统设计[J]. 中国新通信, 2015, 17(15): 104-105.

[4] 杨斌, 郑翔骥, 佘明辉. 基于单片机超声波测距系统的电路设计与实现[J]. 电子世界, 2015 (19): 167-170.