1、40儀表技術(shù)2011年第9期一種基于PIC單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)常玉華，姚存治（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450052）摘要：介紹一種基于PIC單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了其硬件及軟件的設(shè)計(jì)原理。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、有良好的測(cè)試精度和靈敏度，可用于汽車倒車防撞裝置、移動(dòng)機(jī)器人、建筑工地及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可以用于液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合的測(cè)量。關(guān)鍵詞：超聲波；測(cè)距；控制中圖分類號(hào)：TM9309文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10062394（2011）09004003AnUltrasonicDistanceMeasurementSystemBasedonPICMicropr

2、ocessorCHANGYu-hua，YAOCun-zhi（ZhengzhouRailwayVocationalandTechnicalCollege，Zhengzhou450052，China）Abstract：AsupersonicrangefindingsystembasedonPICchipcomputerisdiscussedinthisarticle，andtheprincinpleofhardwareandsoftwaredesignisdescribedindetailThesystemhassimplehardwarecircuit，goodmeasur-ingprecisi

3、on，sensitivity，andcanworkreliablySoitcanbeusedformotorvehiclecollision，mobilerobot，buildingsite，andmeasureofliquidplace，depthofwell，lengthofpipingKeywords：ultrasonic；distancetesting；control使用超聲波方式實(shí)現(xiàn)測(cè)距與紅外線、激光等方式相比，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響；并且，由于超聲波可以實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)，所以，對(duì)于測(cè)量環(huán)境處于黑暗、有灰塵、煙霧、有毒等惡劣的環(huán)境下也可以正常使用。超聲波在空氣中傳播速度較慢，

4、其回波較易檢具有較高的分辨力；并且，檢測(cè)迅速、方便，計(jì)測(cè)出來(lái)，算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制，測(cè)量精度也能滿足生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用方面的要求。因此，這種測(cè)距方式被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面。本文將系統(tǒng)地介紹一種基于PIC16F873單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)方式及軟件設(shè)計(jì)思路。1PIC16F873單片機(jī)定時(shí)器PWRT和振蕩器起振定時(shí)器OST；（3）有看門狗WDT；（4）可編程編碼保護(hù)；（5）節(jié)電休眠SLEEP模式；（6）具有商業(yè)和工業(yè)溫度范圍；（7）帶有SPITM和I2CTM的同步串行端口SSP；（8）具有4KB的FLASH程序存儲(chǔ)器；（9）22條I/O口線；（10）192字節(jié)數(shù)據(jù)存由于儲(chǔ)器

5、；（11）有5路10位A/D通道；特別地，PIC16F873具有128字節(jié)的EEPROM，因此，還可以用于設(shè)定參數(shù)需要經(jīng)常修改的應(yīng)用場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)在電路板上快速擦除和寫入，最適合制作實(shí)驗(yàn)板。借助于實(shí)驗(yàn)板，在程序編寫和調(diào)試過(guò)程中，可以方便地?zé)龑懗绦蚝托薷某绦颉?測(cè)距基本原理PIC16F873單片機(jī)是美國(guó)Microchip公司推出的一種高性價(jià)比單片機(jī)，是一種功能強(qiáng)大的微控制器，具有獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，使指令只有單字長(zhǎng)的特性。芯片引腳為28腳。可以為嵌入式控制系統(tǒng)提供高度靈活而有效的解決方案，其主要特點(diǎn)是：（1）具有上電復(fù)位POR功能；（2）具有電源上升利用超聲

6、波的指向性較強(qiáng)及在傳輸過(guò)程中能量損耗較慢、反射能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)設(shè)計(jì)制作超聲波測(cè)距電路。首先，由超聲波發(fā)射電路激勵(lì)超聲波傳感器，使其產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)，向某一測(cè)距方向定向發(fā)射超聲波。同時(shí)，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，發(fā)射信號(hào)一旦遇到障礙物就會(huì)產(chǎn)生回波，由超聲波接收器收到有效反射回波后，利用硬件電路對(duì)回波進(jìn)行一系列的處理后收稿日期：201106作者簡(jiǎn)介：常玉華（1979），女，碩士，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、自動(dòng)化控制、測(cè)控與信號(hào)。2011年第9期儀表技術(shù)41輸出中斷請(qǐng)求信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)收到中斷信號(hào)后停止計(jì)時(shí)。假設(shè)，超聲波在空氣中的傳播速度為v（m/s），從超聲波發(fā)射到接收回波的時(shí)間為t（s），則發(fā)射

7、點(diǎn)距障礙物的距離s=vt/2（m）。在已知超聲波在介質(zhì)中的傳播速度的情況下，測(cè)距電路設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收到回波所需的時(shí)間。331系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示，超聲測(cè)距系統(tǒng)由控制器CPU、顯示電圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖路、時(shí)鐘振蕩電路、發(fā)射電路、接收電路和超聲波換能器等組成。測(cè)距系統(tǒng)選用PIC16F873單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，以兩個(gè)共振頻率均為40kHz的超聲波換能器分別做為發(fā)射端和接收端。311發(fā)射電路如圖2所示，基本工作原理如下：首先，由單片機(jī)外接晶振與單片機(jī)配合產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，經(jīng)分頻后由I/O口輸出一系列40kHz的脈沖信號(hào)群。由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比，

8、為了使測(cè)距范圍足夠遠(yuǎn)，因此，先對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后去驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器。先將脈沖信號(hào)分兩路，一路送入CD4011倒相后經(jīng)V1放大送入CD4069，另一路直接經(jīng)V2放大送入CD4069，這兩路信號(hào)經(jīng)CD4069進(jìn)行功放后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器產(chǎn)生一系列的超聲波發(fā)射向目標(biāo)物體，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。圖2發(fā)射電路原理圖312接收電路如圖3所示：超聲波接收器收到回波后，利用超聲采用三個(gè)共陽(yáng)極的數(shù)碼管進(jìn)行距離數(shù)值顯示，可以顯示的范圍為010999m。由于PIC16F873有足夠的I/O口可供使用，所以在這個(gè)距離顯示電路中沒有使用譯碼器，而是直接利用了單片機(jī)上的I/O口來(lái)進(jìn)

9、行譯碼顯示，并利用3個(gè)三極管進(jìn)行位選擇。22系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖4所示：由PIC16F873的I/O口輸出一系列的40kHz的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波，同時(shí)，單片機(jī)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。發(fā)射的超聲波信號(hào)一旦遇到障礙物就會(huì)產(chǎn)生回波，回波信號(hào)被超聲波接收器接收到后，就利用硬件電路對(duì)回波進(jìn)行一系列的處理后輸出中斷請(qǐng)求信號(hào)送給單片機(jī)，單片換能器將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由于回波信號(hào)較弱，所以先經(jīng)CD1069進(jìn)行前置放大，然后經(jīng)帶通濾波后送到UV471再次放大，最后采用比較器LF356使前級(jí)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，消除沒有經(jīng)過(guò)障礙物直接接收到的回波信號(hào)，并配合后級(jí)CD4069對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行整形

10、，整形后的方波中斷請(qǐng)求信號(hào)輸送給PIC16F873產(chǎn)生中斷，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，并利用程序?qū)r(shí)間轉(zhuǎn)算為距離。313距離顯示電路在顯示距離的電路中本測(cè)距系統(tǒng)精度為厘米級(jí)，42儀表技術(shù)2011年第9期圖3接收電路原理圖機(jī)接收到中斷信號(hào)后計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。然后，由程序運(yùn)算得出測(cè)量數(shù)據(jù)，并送LED進(jìn)行譯碼顯示出所測(cè)的距離值。性，因此，可用于汽車倒車防撞裝置、移動(dòng)機(jī)器人、建筑工地及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可以用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合的測(cè)量。參考文獻(xiàn)：1劉篤仁PIC軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于PIC16F87X系列M北京：電子工業(yè)出版社，20052丁躍軍，M北來(lái)清民，劉建華，等PIC單片機(jī)基礎(chǔ)教程2005京：北

11、京航空航天大學(xué)出版社，3董曉紅單片機(jī)原理及接口技術(shù)M西安：西安電子科技2004大學(xué)出版社，（郁菁編發(fā)）櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚（上接第39頁(yè)）雜的運(yùn)動(dòng)控制。參考文獻(xiàn)：圖4主程序流程圖1齊珊多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D天津：天津大學(xué)，20082李偉通用串行總線技術(shù)在數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用研究D濟(jì)南：山東大學(xué)，20073葉佩青，M北京：張輝PCL6045B運(yùn)動(dòng)控制與數(shù)控應(yīng)用2007清華大學(xué)出版社，4徐朝陽(yáng)運(yùn)動(dòng)控制器底層技術(shù)研究與開發(fā)D長(zhǎng)沙：國(guó)防2003科學(xué)技術(shù)大學(xué)，5劉丹，傅建中基于ARM和PCL6045B的運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)J控制與檢測(cè)，2006（3）：47496WeihaiChen，ZhaojinWen，ZhiyueXu，etalImplementationof3-axislinearinterpolationinaFPGA-based4-axismotioncontrollerJIndustrialElectronicsandApplications，2008（3）：13081313當(dāng)接通電源使單片機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)后，由程序控制發(fā)出一系列40kHz的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路開始工作。同時(shí)，單片