设计开发 黪 黪 ’ｌ与应用 种基于ＭＳＰ４３０ ． 单片机的超声波测距系统的设计与实现 —董家靖 （９１２４５部队辽宁葫芦岛１２５０００） 摘要：根据在空气中超声波传播速度固定的特点，通过记录单片机中计数器数值来计算超声波的传播时间，时间与速度相乘得到距离值为原理 设计了一种￣ＭＳＰ４３０Ｆ１１０１单片机控制的超声波测距系统，系统具有易实现、实时性、可靠性和适应性好等特点。 关键词：超声波测距ＭＳＰ４３０单片机 中图分类号：ＴＰ２７４．５３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－９４１６（２０１４）０３－０１１８—０２ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｉｒ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｒｅ ｆｉｘｅｄ，ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ＭＣＵｃｏｕｎｔｅｒ ｒｅｃｏｒｄｓ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ，ｔｉｍｅ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ？ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｄ ｂｙ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｋｉｎｄ ｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒａｎｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎ￣ｏＵｅｄ ｂｙ ＭＳＰ４３０Ｆｌ １０１ ＭＣＵ，ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｅａｓｙ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ｒｅｌｉａｂｉｌｉｙ ｔａｎｄ ｇｏｏｄ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｙ ｔｅｔｃ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｅｓｅｎｓｏｒ Ｄｅｔｅｅｔｄｉｓｔａｎｅｅ ＭＳＰ４３０ＳＣＭ 在人们日常生产生活当中，诸多场合需要自动进行非接触测 距，如汽车倒车、水库液位测量等。与光波相比，超声波的传播速度 要小很多，所以即使在传播距离较短的条件下，传播时间也可以被 准确的检测出来。而且超声波的方向性很好，因此人类研究以超声 波为“工具”来实现测距。超声波测距利用了声波的传播特性，结合 了光电开关、电子计数等硬件结构实现距离测量的目的，并且是一 传播的弹性机械波。由于超声波的传播速度仅为３４０ｍ／ｓ，与光波速 度相比已经很慢，所以即使在较短的距离范围内准确记录其传播时 间也是可以实现的。以超声波来实现测距目的的方法也有往返时间 检测法、相位检测法、声波幅值检测法 等很多种。本文采用往返时 间检测法。其原理是超声波发射器发射出一定频率的、在空气介质 中传播的超声波脉冲，当其遇到障碍物时产生反射，由接收装置接 种非接触式的测量方法。本文介绍了一种基于ＭＳＰ４３０Ｆ１ １０１单片机 收，其所经历的时间就是往返时间，时间长短与超声波传播的路程 的超声波测距系统 １。 的有关。测试传输时间就可以得出距离，即 １超声波测距原理 超声波［２１与光波不同，其本质是可以在空气、液体、固体中进行 Ｓ＝３４０ｘｔ／２ （１） 当测得的距离Ｓ小于某个固定值时，触发报警装置产生报警。 ２系统总体设计方案 本系统以ＭＳＰ４３０Ｆ１ １０１单片机为核心，包括超声波发射、回波 信号接收、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分 构成。原理框图如（图１）所示。 图１硬件原理框图 十稳触 … ＇ｌ雾 卜一 ㈨ …一…］ ｌｒ…一…］ ｌ—————．—。——————ｊ 图２发射系统框图 整个系统由单片机ＭＳＰ４３０Ｆ１１０１控制，在单片机控制下，超声 波发射装置发射脉冲信号与计数器开始计时同时进行。当超声波接 单片机由外部比较 厂………１ 收装置接收到由障碍物反射回来的回波信号时，电路中产生的高电平触发中断，停止计数。此时单片机运行中断服 根据计数器记录的数值与超声波的传播速度求出距离 ——————— ————————ｊ 务子程序，值，同时计算结果由ＬＣＤ进行实时显示。系统具有报警功能，当系统 ｌｌ Ｋ 图３接收系统硬件电路 作者简介：董家靖（１９８６－），男，辽宁锦州，本科，助理工程师，主要从事光测装备研究。 黪 ｒ叶ｆｉ 鼯 黪 设计开发 ２．５ Ｖ ０ＳＣ０ ０ＳＣ１ ＶＣＣ ＲＤ ＣＳ ＷＲ ＤＡＴＡ ＧＮＤ ＢＺ ＢＺ ＧＮＤ ＭＳ ３（ １ ｌＯｌ Ｉ｛们６２ｌ 液晶玻璃片 一２～３～４—５—６—７—８—９一ｍ 图４ ＭＳＰ４３０Ｆ１ １０１与ＨＴ１６２１连接图 测得的距离数值小于限定值时，￣ＩＪＬＣＤ显示出测量距离的同时，单 决定显示段的段码来实现，每一个显示段都对应显示ＲＡＭ中的一 片机控制报警系统发出音频报警信号；当距离大于限定值时，系统 位。单片机的２．５Ｖ工作电压也作为液晶驱动器的工作电压。 不报警。由此可以得到声光两种信息模式。 ＨＴ１６２１能够提供两种不同的音频输出（驱动芯片的９脚和１０ ３各分系统部分组成与功能 ｍ ∞ ∽ 儿 脚），当在程序控制下，将两个不同音频输出并接在一个或门电路上 时，不同的测量范围对应不同的音频报警 ３．１发射系统 发射系统框图如（图２）一如一 一 ３．４软件任务 所示，一＂一ＭＰＳ４３０Ｆ１１０１单片机的Ｐ１．３口输 一＝２一 ～ 一 一ｎ 此系统有三个主要任务由软件完成： 出４０ｍｓ的脉冲波信号，该信号通过单稳触发器实现电压提升和脉 （１）在定时器发送每个周期为４０ｍｓ的脉冲波的同时使计数器启 宽控制后，输出频率不变、高电平为宽１６０ Ｓ、周期为４０ｍｓ的方波， 动计数，为比较单元ＣＣＲ０赋初值； 实现５５５振荡器的置位。在置位期间，超声波发射头Ｔ４０Ｋ１将５５５振 （２）当外部中断到来时进入中断服务子程序，如果计数器在此 荡器定时产生的４０ｋＨｚ的振荡信号转化为超声波，并将其发射。当 超声波遇到障碍物时产生反射，反射波被接收装置接收。系统与障 次中断到来之前没有溢出，则计算停止，进入数据处理单元。如果计 数器在中断到来前有溢出，则进入出错管理，屏蔽一个中断源，累计 碍物之间的距离为超声波实际传播路程的一半，由式（１）可知。 测量数自加一； ３．２接收系统 （３）ＨＴ１６２１在ＭＳＰ４３０Ｆ１１０１的控制下，将系统计算出的目标距 接收系统电路组成如（图３）所示 ，Ｒ４０Ｋ１接收反射的回波信号 离值与自定义的门限值进行比较，根据不同的比较结果来选择不同 并将其转换成电压形式的信号，实现接收部分的信号转换。转换后 的电压信号比较微弱，因此接收系统设计了两级放大电路对目标信 田 田 的音频报警提示。 号进行放大，对放大后的信号进行整形（ＩＢＱ２０）和滤波（ｃ５），得到一 ４结语 个比较理想的稳定、平滑的电压信号。将此电压作为ＳＦＨ６１５Ａ一１ 系统通过记录超声波的传播时间，将其与超声波的传播速度相 （光电耦合器件）中发光二极管的驱动信号使光敏三极管导通，通过 乘求得系统与被测目标距离的原理，设计了一种以ＭｓＰ４３０Ｆ１１０１单 相连的两个反相器得到一个稳定的电平信号。此电平信号作为 片机为控制核心的超声波测距系统，用于实时测量系统与目标之间 ＭＳＰ４３ＯＦ１１０１的外部中断的中断信号直接输入到单片机的外部中 的距离，通过ＬＣＤ来显示出测量值，根据测量结果的不同提供不同 断入口，来使单片机产生中断，在中断服务程序中使计数器的计时 频率的音频报警。该系统能够准确测量６ｍ范围内的物体，精确度在 停止，并计算出相应数据。 １８ｃｒｎ以内。该系统原理简单并且易于实现，在倒车雷达等距离测量 ３．３显示与报警系统 方面有着很高的可行性和广泛的应用前景。 在此系统中，测量距离设计为由２位数字显示，并根据距离值的 参考文献 不同提供两种警报提示信息。因ＬＥＤ显示电路需多口支持，本系统 的液晶显示驱动芯片选择了性价比较高的ＨＴ１６２１，它可同时提供 ［１］李文辉．基于ＭＳＰ４３０单片机的超声波倒车雷达监测报警系统 ２ｋＨｚ与４ｋＨｚ的两种音频格式输出，能够满足对系统功能的要求。 ［Ｊ］．自动化与仪器仪表，２００９，１ ４４（４）４２－４４． 显示驱动电路如（图４）所示。在外接３２．７６８ｋＨｚ晶振频率下，由 ［２］时德钢，刘晔，王峰，韦兆碧，王采堂．超声波测距仪的研究［Ｊ］．仪表 ＨＴ１６２１的片选ＣＳ脚（低电平有效）连接单片机的Ｐ１．３脚、写允许 与传感器，２００２，１ ０（７）：４８０—４８２． ［３］沙爱军．基于单片机的超声波测距系统的研究与设计［Ｊ］．电子科 ＷＲ信号线（低电平有效）连接单片机的Ｐ１．２脚，串行数据输入线 ＤＡＴＡ连接单片机的Ｐ１．１脚来完成单片机与液晶显示驱动芯片的 技，２００９。２２（１ １）：５７—６１． 连接。ＬＣＤ的２个背电极、８个段电极，分别与ＨＴ１６２１的ＣＯＭ０、 ［４］丁守成．基ＭＳＰ４３０单片机的超声波测距系统设计与实现［Ｊ］．现代 ＣＯＭ１及ＳＥＧ０－ＳＥＧ７相连。ＬＣＤ的显示驱动由向显示ＲＡＭ中写入 科学仪器，２００９，５：４８—５０．
