1、1基于超声波技术的非接触测距装置大连工业大学集成测控技术研究所李锦涛为了解决现有的接触式测距装置的不便，特发明了一款基于超声波技术的非接触测距装置。本装置设计的目的就是对距离实现非接触的测量，从而应用于一些不适合接触测量的场合，并且可以实现对距离的动态测量和实时测量，减轻人工劳动，可用于距离测量，距离报警等方面。而当今市场上主要还是接触式测量工具，但是非接触式测量工具具有明显优势，本装置应运而生。基本原理概述本装置其基本思路是通过单片机进行控制，采用超声波进行非接触测量，依据所检测到的超声波发射与接收的时间差，利用距离=声速时间，实现非接触式测距，并能够将所测距离直观的显示到液晶屏上。图 1
2、测距原理图电路时序详解本装置主要使用 STC89C52 单片机，US-100 超声波测距模块和 1602 液晶显示屏，组成一套完整的测距系统。首先，通过单片机控制超声波模块发射超声波，超声波的 TX 管脚与单片机的 P27 脚相连，给超声波模块的 TX 管脚一个 10us 以上的高电平（25us 最佳） ，系统即可发出 8 个 40KHZ 的超生波脉冲，当超声波遇到障碍物反射后，即可检测到回波信号。当检测到回波信号后，模块即会计算发射与接收的时间差，以高电平脉冲的形式将时间差结果通过 RX 管脚输出，高电平持续时间即为发射与接收的时间差。在此系统中，我们采用单片机的定时器来监测高电平脉冲的时间
3、。将单片机定时器的定时器 TR0 位和 GATE0 位均置 1，此时只有当单片机的外部中断2位高电平时定时器才会开启。将超声波的 RX 管脚与单片机的外部中断（INT0）管脚相连，这样，当监测到回波信号时，定时器自动开启，当回波脉冲结束时，定时器自动关闭，这样既可以提高精确度，又可以有效防止因未检测到回波而引起的死机问题。之后，利用公式 S=V*T/2（因为经过反射，所以时间需要除以 2） ，即可计算出所测量的距离。然后用单片机驱动 1602 液晶显示模块，将距离显示到液晶上，这样，人就可以通过液晶显示屏读出所测距离。该装置不停地让超声波模块发射超声波，这样，使用者仅需移动超声波模块，系统就可
4、以自动的完成对多个目标的测量。图 2 超声波时序图装置误差分析经过测量，此装置存在一定误差。由于超声波装置存在多普勒效应，在移动模块时所测的数据存在误差，即此模块无法准确测量移动中的物体。而且由于超声波发射存在 15 度的夹角，当所测距离较远时，位于超声波模块前侧方的物体会反射超声波，引起误差。当所测距离在 2cm 以内时，超声波无法较好的反射，难以做到精确。理论测距上限为 4.5m，而实际测量上限可达到 6m。当测距超出 6m 时，由于声波衰减程度较大，也无法做到准确测量。装置模块简介1. STC89C52 单片机STC89 系列单片机是 MCS-51 系列单片机的派生装置，它们在指令系列、
5、硬件结构和片内资源上与标准 8052 单片机完全兼容，DIP40 封装与 8051 为pin-to-pin 兼容， STC89 系列单片机高速（最高时钟频率 90MHz） ，低功耗，在系统/在应用可编程（ISP ，IAP） ，不占用户资源。3图 3 装置模块图2. 1602 液晶显示模块字符型液晶显模块由字符型液晶显示屏（LCD） ，控制驱动电路 HD44780及其扩展驱动电路 HD44100 或与其兼容的 IC，少量阻、容元件，结构件等装配在 PCB 板上而成。它具有 8*140*4（字符*行）各种规格，广泛应用于智能仪表、通讯、办公自动化及军工等领域。3. US-100 超声波模块 US-
6、100 超声波测距模块可实现理论值 2cm4.5cm 的非接触测距功能，拥有 2.45.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于 2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。工作电压 DC2.4V5.5V（5.1V）静态电流 2mA工作温度 -2070输出方式 电平或 UART（电平）感应角度 小于 15探测距离 2cm500cm4探测精度 0.3cm1% 表 1 超声波模块电气参数图 4 装置电路原理图装置初期制作本装置已进行了初期的制作，做到了基本的测距并读取数据等功能。5图 5 装置初期实物图装置测试对比本装置进行了简单的测试实验。首先固定米尺后
7、，以墙面为被测面测距。再将本装置进行对同一被测面的测距。最终将二者进行比较，确定装置测距准确性。图 6 测距实验图装置研究方向本装置后期着重进行对数据处理部分及装置实际应用方面的研究。1利用程序上的处理使装置做到以数组形式采集数据，并将单位时间内的6数据平均处理，以便得到最佳测量值，并在数据采集部分加上存储器等设备，可以将所测的若干距离存储起来以方便查看。2本装置可应用于报警、监测数据等多方面。将本装置安在汽车尾部，可起到在倒车时达到距离提醒报警的功能。更可加入数据传送外设，司机可以在前方显示屏或表盘上读出数据，这样可有效的避免事故的发生。3将装置与监控软件相结合，并加入无线通信模块，最终做到
8、数据的远程读取，起到远程监控的作用。总体而言，在非接触测距方面本装置有着很好的应用前景。装置创新点 显示直观。本装置由液晶显示测量数据，可直接进行读数，观察直观方便。 操作简洁。本装置只需轻轻按下按钮开关即可进行测量到显示数据的一体化流程，操作简单，读数快捷。 数据动态化。本装置采用动态测量，每秒可进行数十次测量，得到组数据。这样可实现对距离的动态测量，还可按需求通过对组数据的线性分析得出面距值与点距值。 装置小巧。本装置小巧玲珑，可加固定装置固定测距，也方便随时携带进行移动测距。 价格适中。本装置成本适中，适合大规模生产。 应用拓展性强。本装置可以连接串口、无线通讯模块等外设以便将数据进行更需要性的阅读及处理。综述从申报该项目至今，我们团队对该装置的应用环境、系统结构、工作原理、实现方法等都进行了研究，对项目的技术部分、应用前景都有了较深的认识。
