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。