基于C8051F020的高精度超声波测距系统设计

摘要：利用C8051F020单片机设计高精度非接触式的超声波测距。该系统利用4个HC-SR04超声波测距模块，四面测距，简化电路，减少了其他电路对超声波测距的干扰。在提高精度方面采用温、湿度补偿，电路使用DS18B20及湿敏电容器HS1101。系统测距范围2～400 cm，精度1 cm，并采用LCD12864显示温、湿度和四面距离。该系统具有结构简单，工作可靠，精度高的优点，实时显示四周障碍距离及温、湿度，可置于小车上，用于避障，智能导航等。
关键词：超声波测距；智能导航；C8051F020；HC-SRO4

0 引言
    超声波是由压电陶瓷的压电效应产生，这种压电陶瓷传感器有2块压电晶片和一块共振板，当给它的两极加频率等于晶片固有频率的脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动共振板振动，从而产生超声波。它的频率高于20 kHz，具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能的优点，且对色彩，光照度，电磁场不敏感，不易受干扰。超声波测距技术是基于无目视能力的生物(蝙蝠等)防御及捕捉猎物生存的原理，利用超声波在空气媒介中传播，碰到障碍物反射回来的时间间隔长短及被反射波的强弱判断障碍物的性质和位置的方法。它是一种非接触式检测方式，它不受光照度、电磁场、被测物色彩等因素的影响，信息处理简单，速度快，成本低。本文采用单片机模控制超声波模块发射接收，并结合温湿度补偿电路，实现高精度的四周距离检测。

1 整体方案设计
    方案的主要任务是实现控制电路对四周的精确测距。通过MCU端口产生40 kHz的方波信号，发送至HC-SR04超声波测距模块的发射引脚，发射后定时器T1计数，并等待接收引脚电平变低，将定时器T1关闭，读出定时器的寄存器中的值，结合温湿度电路的采集的信号转化出实时的声速和频率，利用公式：
    L=TV／2
    式中：L为距离；T为定时器的计数值；V为相应环境下的声音在空气中在空气中传播的速度。

2 硬件电路设计
2．1 硬件总体设计
    整个系统主要由单片机控制电路，超声波测距模块，温度采集电路，湿度采集电路，LCD显示器和电源电路组成。其中单片机控制电路是用于控制超声波产生和转化外部采集数据；温度采集电路是用于采集当前外部温度，得出当前声速；湿度采集电路是用于采集当前外部湿度得出当前频率；LCD显示器是用于实时显示环境温度，湿度及电路所测四周的距离。电源电路是用于为系统各个模块提供稳定的电源，保证各部分正常工作。系统总体电路设计如图1所示。

2．2 超声波测距模块
    HC-SR04超声波测距模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
    基本工作原理：
    (1)给模块的发射I／O口送入超声波信号，要求至少10μs的高电平信号，本系统提供40 kHz信号，高电平持续12．5μs。
    (2)有信号返回，模块的输出I／O口输出一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。测距距离=(高电平时间×声速)／2。
    (3)被测物体的面积不少于0．5 m2且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。
2．3 温、湿度采集电路
    环境温度采集部分是提高超声波测距精度的关键。采用Dallas公司的DS18B20 1-wire数字温度传感器，使用一根信号线实现信号的双向传输，接口简单，便于扩展和维护。声速和温度的关系：温度越高，声速越大。
    c=331．45+0．61T
    式中331．45是温度在0℃度时声音在空气中的速度。就是说在地面上温度每升高1℃，声速增加约0．61 m／s。本系统就是依据这一原理提高测距精度。
    环境湿度采集部分主要由湿敏电容器HS1101，555定时器TLC555和其他外围电路元件构成。湿度测量电路本质是湿敏电容器的电容值与相对湿度变化的关系构成的振荡电路。通过测量555的输出频率，即可根据频率、湿度关系算出湿度。
2．4 数据显示
    数据显示部分通过C8051F020的端口P2作为与LCD12864通信的8位数据线，主要完成通信数据和实时信息的显示。
2．5 系统供电
    系统正常工作需要+5 V和+3．3 V电压供电。将市电220 V／50 Hz通过9 V／10 W变压器降压变换后，经过电桥整流和滤波产生DC 9 V，通过LM7805，ASM1117—3．3稳压芯片输出稳定+5 V和+3．3 V给整个系统供电。由于系统正常工作下电流较大，LM7805需要加散热片，以保持系统长时间稳定工作。

3 软件设计
    系统的软件部分主要完成以下功能：系统上电，初始化各模块，然后读取环境温、湿度，将测量值转化为显示。启动测距模块，读取4个方向的定时器值，系统采用先后顺序启动4个测距，将计数值都保存在定时器1上，为避免混淆，采用实时读取显示，下次测距时，只需覆盖定时器1上次的计数值。用12864显示时，由单片机根据当前温度，依据上面提到的公式转化。
    基于STC89C52的高精度超声波测距系统控制过程如图2所示。

4 结语
    对于C8051F020构成的超声波高精度测距系统进行功能验证，系统在2～400 cm范围内，能完成对四周障碍距离数据实时测距，且测量误差小于1 cm，温湿度数据采集系统工作正常。系统人机界面友好，操作简单、可移植性好，可置于小车上用于避障或智能导航，只需外加接口，方便用于商业用途。