基於單片機的短距離超聲波測距系統的製作方法

2023-10-22 05:45:42

基於單片機的短距離超聲波測距系統的製作方法
【專利摘要】一種基於單片機的短距離超聲波測距系統，主要包括自帶溫度補償功能的超聲波傳感模塊US-100，單片機C8051F340，數碼顯示管和蜂鳴器。本發明可以實時自動測量距離，特別適用於汽車倒車雷達，從而避免了倒車時可能發生的事故。使用本方法製作的超聲波測距系統所涉及的電子器件規格均屬通用型，故具有容易採購、工藝簡單、生產成本低等特點。在4.5m的量程以內測量精度提高到了0.3cm，在各種測距應用中都具有良好的效果。
【專利說明】基於單片機的短距離超聲波測距系統【技術領域】
[0001]本發明屬於聲電測量【技術領域】，特別涉及一種基於單片機的超聲波短距離測量系統。
【背景技術】
[0002]近二十多年來各種測距方案層出不窮，先後產生了雷射測距，微波雷達測距，紅外，CCD立體視覺測距和超聲波測距等多種非接觸測距方式。其中，因為雷射的直線性好，所以測距的精度最高，但它易受環境影響、成本高、維護不便。微波雷達技術同樣存在費用問題，故而只在軍用領域得到普及應用。紅外測距當然價格低廉，製造方便，安全，但精度低、方向性差是其致命缺點。CCD立體視覺系統雖然成本高，但是可以探測前方斜面物體。缺點是受光照、霧霾、雨雪等天氣的影響大，並且處理器的開銷十分巨大。超聲波測距儀器作為非接觸測量技術，以其獨特的優點而備受消費者的青睞。超聲波測距系統不易受光線，天氣，電磁波等的幹擾，成本低廉，操作方便。而且，超聲波可以在固氣液等不同形態的物質中傳播，對於汽車倒車雷達等測距精度沒有過分要求的場合應用尤為方便。現有的超聲波測距方案其盲區大部分都在3cm以上，測量精度不足1cm，而且基於分離溫度傳感器DS18B20的佔了大多數，還沒有基於集成模塊的溫度補償及處理方案。傳統方案較少應用報警電路以提示用戶超過量程或者一定距離內發出警告。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是克服現有技術存在的上述不足，提供一種基於單片機(C8051F340)的短距離超聲波測距系統，該系統可以實現實時非接觸測距，且不受雨雪等天氣的影響，自帶溫度補償精度高，同時可以報警顯示，實現良好的人機互動。本發明原理清晰，所用器件都是常用常提原件，實現簡單，單片機功能豐富，如有其它特殊要求，還可以自行擴展功能。
[0004]本發明提供的基於單片機(C8051F340)的短距離超聲波測距系統，包括單片機C8051F340、自帶溫度補償功能的超聲波塊US-100、數碼顯示管和蜂鳴器；超聲波傳感模塊US-100與單片機C8051F340雙向連接，單片機C8051F340同時分別連接數碼顯示管和蜂鳴器。
[0005]單片機C8051F340是本發明的主控晶片，控制超聲波模塊工作，並通過自帶的定時器計算超聲波的收發時間差並得出距離，實時顯示在數碼管上，當超過系統的量程時單片機驅動蜂鳴器產生警報以提醒用戶。
[0006]自帶溫度補償功能的超聲波傳感模塊US-100，是一個高度集成功能齊全的超聲波收發和信號處理模塊，精度高處理能力強，在單片機的控制下產生超聲波信號，接收超聲波信號，同時處理超聲波信號，包括完成信號的放大、補償等。
[0007]數碼顯示採用4位並行顯示，用0.56英寸共陽數碼管，ss8550三極體並行驅動，可直接與單片機相連，用於實時顯示測量距離，實現人機互動。[0008]蜂鳴器受單片機控制，用於提示用戶所測距離是否超過量程2cm-4.5m，超過系統量程便以發聲的方式提醒客戶。
[0009]所述的單片機C8051F340有多達64KB的片內FLASH存儲器，256位元組的RAM，處理能力強，與8051完全兼容，所以，應用電路成熟穩定。其4個通用的16位定時器，40個I/O埠完全滿足本系統的設計要求。
[0010]所述的自帶溫度補償功能的超聲波傳感模塊US-100功能強大，消除了溫度變化引起的測量誤差，精度高，可達0.3cm，處理能力強，該模塊在單片機的電平觸發控制下產生40khz的聲波，效率最高。US-100超聲波測距模塊可實現2cnT4.5m的非接觸測距功能，擁有2.r5.5V的寬電壓輸入範圍，靜態功耗低於2mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行校正，同時具有GP10，串口等多種通信方式，內帶看門狗，工作穩定可靠，US-100共有VCC、TRIG、ECHO和兩個GND共5個接口，其中VCC接5V電源，GND合併接地，TRIG和ECHO分別接單片機的P3.6 口和P3.7 口。單片機的P3.6 口控制發出一個IOus的高電平，就可以再P3.7 口等待高電平輸出，一有輸出就可以打開定時器定時，同時模塊還要進行溫度值的測量，然後根據當前溫度對結果進行修正，當P3.7變成高電平時，停止計時，根據時間差方可算出距離，如此不斷的周期測，就可以達到移動實時測距目的了。
[0011]所述的4段數碼顯示管可以實時顯示測量距離，實現人機互動，其中abcdefg和dp分別接單片機的P2.(TP2.7 口，顯示單位為米。
[0012]所述蜂鳴器在測量距離超過2cm-4.5m的測量範圍時自動報警，其中單片機的P3.5 口通過一個IKQ的限流電阻接到PNP型三極體8550的基極，集電極接蜂鳴器的正極，該模塊可實時提示用戶測量距離是否在量程之內。
[0013]本發明的優點和有益效果
本發明在與傳統超聲波測距控制模塊、超聲波傳感模塊和顯示模塊內部組成大致相同的基礎上，在元器件參數選擇上有所不同。在單片機系列上選擇了弓I腳數更多的、處理能力更強的晶片C8051F340 ;在超聲波發射接收模塊上使用了高度集成、功能豐富的US-100，它不僅能夠對接收到的超聲信號進行放大、檢波，而且自帶溫度補償功能，修正了溫度不同帶來的測量誤差。同時該模塊還具有測量精度高的特點，可達0.3cm，誤差只有1%。此外，當測量距離超過系統量程時，蜂鳴器發聲以提醒使用者。
[0014]本發明與現有技術相比，具有以下有益效果:
1、本發明採用單片機C8051F340取代傳統的51系列，由於C8051F340引腳數更多，使得該系統能實現更完善的功能，所以該系統可以根據情況適當擴展。C8051F340工作電壓範圍大(2.7V-5.25V)，使得在選擇元器件參數上選擇性更多，對電源電路要求更低。
[0015]2、本發明採用自帶溫度補償功能的超聲波傳感模塊US-100，修正了溫度變化導致的測量誤差，同時該模塊還可以對超聲波信號進行檢波、放大等處理，處理完畢的信號可以送給單片機直接處理。誤差小，0.3cm+l% ;工作電壓範圍大，DC 2.4V飛.5V ;電流小，2mA ;工作溫度範圍大，-2(T+70度，可實現2cm到4.5m大範圍的測距目標。
[0016]3、本發明採用蜂鳴器和數碼管構成的人機互動模塊，易於識讀，有能有效提示用戶該系統的測量範圍，使用十分方便。
[0017]【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是系統整體架構圖。
[0019]圖2是系統王程序流程圖。
[0020]
【具體實施方式】
[0021]實施例1
如圖1所示，本發明提供的基於C8051F340單片機的超聲波測距系統，具有使用方便、測量精度高，安全性好、節能性強等特點，其內部結構包括有:單片機C8051F340模塊，帶有溫度補償功能的超聲波傳感模塊US-100，4位顯示共陽極數碼管，蜂鳴器以及相應的外部電路。
[0022]其中，單片機作為主控晶片，統一協調各個模塊的工作，接收超聲波的回波信號並利用時間差計算距離，同時單片機將測量結果顯示在數碼管上，當測量距離超過2cm-4.5m的量程時，蜂鳴器自動報警以提示用戶。超聲波傳感模塊US-100在單片機電平脈衝的控制下產生40Khz的聲波，收到回波後自動進行檢波、放大處理並進行溫度補償。
[0023]現將各模塊元件組成及連線詳述如下:
所述的單片機C8051F340模塊採用外部晶體振蕩的形式，其中P0.2 口和P0.3 口分別作為XTALl和XTAL2使用，在這兩個埠並聯上兩個30pF的電容和一個40MHz的晶振，單片機工作時，由P3.6 口向超聲波模塊的TRIG 口發射一個IOus長度的高電平信號，使超聲波模塊產生8個40KHz的脈衝，同時單片機內部定時器開始定時，當收到超聲波回波信號時，定時結束同時計算出距離並送至數碼管顯示，如此單片機每隔50ms便重新發送IOus的高電平脈衝，系統就可以自動實時測距。當測量範圍超標時，單片機驅動蜂鳴器，自動報警。
[0024]所述的帶有溫度補償功能的超聲波測量模塊US-100由VCC、TRIG、ECH0、兩個GND，VCC接5V電源，TRIG和ECHO分別連接單片機的P3.6和P3.7 口，GND則接地，當單片機連續發送脈衝時，超聲波發射頭髮射超聲波，當ECHO接收到回波信號時，該模塊對此信號進行檢波放大處理並進行溫度補償，單片機接收P3.7 口接到信號後，可以直接處理。
[0025]所述的4位顯示共陽極數碼管a、b、c、d、e、f、g、dp，是段驅動，接單片機的P2.0口至P2.7 口。Iedl，led2, led3，led4是位驅動；接單片機的PL 0 口至PL 3 口。單片機根據超聲波的收發時間差，確定待測距離，並將結果送至數碼管顯示。
[0026]所述的蜂鳴器為壓電式有源HYD-4218，單片機的P3.5 口接上一個IKQ的限流電阻，至三極體8550的基極，該三極體的集電極連接蜂鳴器的正極。8550為PNP型三極體，當P3.5輸出高電平時，集電極有電流通過時，蜂鳴器鳴響，當P3.5輸出低點平時，蜂鳴器關閉。
【權利要求】
1.一種基於單片機的短距離超聲波測距系統，其特徵在於該系統包括單片機C8051F340、自帶溫度補償功能的超聲波傳感模塊US-100、數碼顯示管和蜂鳴器；超聲波傳感模塊US-1OO與單片機C8051F340雙向連接，單片機C8051F340同時分別連接數碼顯示管和蜂鳴器； 單片機C8051F340作為主控晶片，控制超聲波模塊工作，並通過自帶的定時器計算超聲波的收發時間差並得出距離，實時顯示在數碼管上，當超過系統的量程時單片機驅動蜂鳴器產生警報以提醒用戶； 自帶溫度補償功能的超聲波傳感模塊US-100，是一個高度集成功能齊全的超聲波收發和信號處理模塊，精度高處理能力強，在單片機的控制下產生超聲波信號，接收超聲波信號，同時處理超聲波信號，包括完成信號的放大、補償； 數碼顯示管採用4位並行顯示，用0.56英寸共陽數碼管，ss8550三極體並行驅動，用於實時顯示測量距離，實現人機互動；蜂鳴器受單片機控制，用於提示用戶所測距離是否超過量程2cm_4.5m。
【文檔編號】G01S15/08GK103454642SQ201310399423
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月5日 優先權日:2013年9月5日
【發明者】周成華, 江寧, 於傑 申請人:天津理工大學