摘要在工業(yè)生產(chǎn)朝著自動化發(fā)展、智能設備的普及以及需要對復雜環(huán)境進行監(jiān)測的一些領域當中，對于非接觸式測距技術的需求正在提高，然而現(xiàn)有的超聲波測距系統(tǒng)，在精度表現(xiàn)、低功耗集成化等方面存在著局限性，這使得現(xiàn)有的系統(tǒng)很難契合在不同場景下對于深度應用的需求。設計一種有高精度、低成本以及適應性強等特點的單片機超聲測距系統(tǒng)，對于提升動態(tài)測量的效率以及智能化水平有著關鍵的意義。首先是以STC89C52單片機作為核心控制器，構建起基于超聲波發(fā)射以及接收模塊的測距架構，利用聲波反射的原理來計算發(fā)射與接收之間的時間差，經(jīng)過單片機進行運算得到目標的距離。其次引進了可實時測量環(huán)境溫度并且可以動態(tài)修正超聲波傳播速度的DS18B20溫度補償模塊，有效地提高了在復雜環(huán)境下的測量精度，同時還集成了液晶顯示模塊以及蜂鳴器報警模塊，實現(xiàn)了距離數(shù)據(jù)可實時顯示以及超限報警的功能。最后依靠優(yōu)化單片機的控制邏輯以及硬件電路的布局，保證系統(tǒng)在自動測距模式之下可穩(wěn)定地運行，同時兼顧低成本的特性以及微型化設計的需求。實驗數(shù)據(jù)顯示，所設計的超聲波測距系統(tǒng)可在0.2-4m的測量區(qū)間之內(nèi)穩(wěn)定地獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過溫度補償之后測距精度的相對誤差可控制在1%至2%，并且還有測量高效、操作便捷、經(jīng)濟實用等特點，可有效地契合短距動態(tài)測距的需求。關鍵詞：STC89C52單片機；液晶顯示；報警；測距AbstractWiththeadvancementofindustrialautomation,thewidespreadadoptionofsmartdevices,andtheneedformonitoringcomplexenvironments,thedemandfornon-contactdistancemeasurementtechnologyisincreasing.However,existingultrasonicrangingsystemsfacelimitationsintermsofaccuracyandlow-powerintegration,makingitdifficultforcurrentsolutionstomeettherequirementsofadvancedapplicationsacrossdifferentscenarios.Designingamicrocontroller-basedultrasonicrangingsystemwithhighprecision,lowcost,andstrongadaptabilityisofcriticalsignificanceforimprovingdynamicmeasurementefficiencyandenhancingintelligentcapabilities.ThesystemfirstemploystheSTC89C52microcontrollerasthecorecontrollertoconstructadistancemeasurementframeworkbasedonultrasonictransmissionandreceptionmodules.Byutilizingtheprincipleofsoundwavereflection,thetimedifferencebetweentransmissionandreceptioniscalculated,andthetargetdistanceisderivedthroughmicrocontrollercomputation.Secondly,aDS18B20temperaturecompensationmoduleisintroducedtomeasureambienttemperatureinrealtimeanddynamicallyadjustthepropagationspeedofultrasonicwaves,effectivelyenhancingmeasurementaccuracyincomplexenvironments.Additionally,anLCDdisplaymoduleandabuzzeralarmmoduleareintegratedtoenablereal-timedistancedatavisualizationandover-limitalerts.Finally,byoptimizingthemicrocontroller'scontrollogicandthelayoutofthehardwarecircuit,thesystemensuresstableoperationinautomaticdistancemeasurementmodewhilemaintaininglow-costcharacteristicsandmeetingminiaturizationdesignrequirements.Experimentaldatademonstratethatthedesignedultrasonicdistancemeasurementsystemcanstablyacquiredatawithinameasurementrangeof0.2to4meters.Aftertemperaturecompensation,therelativeerrorofdistancemeasurementaccuracycanbecontrolledwithin1%to2%.Moreover,thesystemfeatureshighmeasurementefficiency,user-friendlyoperation,andcost-effectiveness,makingitwell-suitedforshort-rangedynamicdistancemeasurementneeds.Keywords:STC89C52microcontroller;LCDdisplay;alarm;ranging圖4-3所示。開始開始結(jié)束超出預設值蜂鳴器報警NY圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3報警子流程圖該子程序?qū)1.0引腳定義為蜂鳴器驅(qū)動端口，主程序中通過全局變量Distance（超聲波測距值）與預設閾值Max/Min實時比較，當Distance>Max或Distance<Min時調(diào)用Feng_Start()啟動蜂鳴器持續(xù)報警，直至距離恢復正常后調(diào)用Feng_Stop()終止。4.4按鍵子程序按鍵子程序主要用來調(diào)節(jié)有效距離。按下功能鍵，可以調(diào)整距離上限；再按一次功能鍵，就能調(diào)整距離下限；只要再次操作功能鍵，就能退出當前的調(diào)節(jié)模式。按鍵子程序流程圖如REF_Ref2321\h圖4-4所示。Y按下按鍵開始Y按下按鍵開始設置上限按下按鍵設置下限按下按鍵結(jié)束NYYNN圖4-SEQ圖4-\*ARABIC4按鍵子流程圖P1.1-P1.3分別配置為模式切換K1、閾值增加K2和閾值減少K3。狀態(tài)切換機制通過K1按鍵觸發(fā)，每執(zhí)行一次按鍵動作，mode變量按0→1→2→0邏輯循環(huán)遞增，分別對應正常測量模式、最大值設置模式、最小值設置模式。在閾值設置過程中，系統(tǒng)通過模式標志位（mode=1或mode=2）激活K2/K3按鍵功能：在mode=1時調(diào)整Max，mode=2時調(diào)整Min。5系統(tǒng)實物測試5.1功能測試5.1.1超聲波測距功能測試按照設計的硬件電路及軟件，完成實物調(diào)試后對系統(tǒng)測試，獲取10組測試數(shù)據(jù)，對比測距結(jié)果與實際距離，相關數(shù)據(jù)見REF_Ref27452\h表5-1，該測距系統(tǒng)整體精度達到±3cm以內(nèi)（1%~2%相對誤差）。表5-SEQ表5-\*ARABIC1超聲波測距測試結(jié)果實際距離(cm)410154580145200235355400測量距離(cm)4.110.415.345.380.9147.6201.5236.5357.5402.5絕對誤差(cm)0.10.40.30.30.92.61.51.52.52.5相對誤差(%)2.54.02.00.671.131.790.750.640.700.635.1.2按鍵控制功能測試確保系統(tǒng)通電穩(wěn)定后，按順序依次按下各功能按鍵。復位鍵可正常復位；模式切換按鍵能在支持主界面（溫度/距離顯示）與參數(shù)設置界面（最大/最小閾值設置）間順暢切換；數(shù)值設置按鍵能精準增減最大、最小值設置，且輸入數(shù)值與實際生效數(shù)值一致。每次按鍵操作后，系統(tǒng)均能即時響應，屏幕會隨按鍵操作顯示相應變化，設置的警報距離觸發(fā)時蜂鳴提示正常，測距動作狀態(tài)也正常，按鍵功能與系統(tǒng)功能緊密適配。5.1.3液晶顯示功能測試液晶顯示屏能正常顯示溫度及距離，設置的顯示位置正確，顯示字符也正確且清晰完整。異常狀態(tài)提示：當測量數(shù)據(jù)無效或超限時，顯示占位符“”以提示用戶。(a)(b)圖5-SEQ圖5-\*ARABIC1液晶顯示圖5.1.4蜂鳴器報警功能測試開啟測距系統(tǒng)，先將模擬障礙物置于安全距離外，確認系統(tǒng)正常運行且蜂鳴器無異常響動。之后，慢慢把障礙物往傳感器方向移動，當測距值達到預設的下限值時，聽到蜂鳴器即刻發(fā)出警報聲且持續(xù)報警。再將障礙物拉遠至超過系統(tǒng)測量的最大范圍，再次檢查蜂鳴器的反應。REF_Ref9986\h圖5-2為萬用表測量蜂鳴器兩個引腳情況。將萬用表調(diào)到通斷檔，用紅、黑表筆分別接觸蜂鳴器的兩個引腳，當蜂鳴器正常且處于工作狀態(tài)，萬用表發(fā)出蜂鳴聲且萬用表上的指示燈亮，這說明電路是連通的。經(jīng)多輪測試，蜂鳴器在所有預設觸發(fā)條件下均能穩(wěn)定做出反應，報警聲清晰，符合系統(tǒng)設計要求。(a)(b)圖5-SEQ圖5-\*ARABIC2萬用表測量蜂鳴器引腳情況5.2完整功能實物測試裝置的主體機械構造包括一個超聲波測距模塊、一個顯示屏、功能按鍵、電源接口和一個放置芯片等的基本板子。系統(tǒng)基于STC89C52單片機與HC-SR04超聲波模塊構建，核心功能為非接觸式距離測量、實時數(shù)據(jù)顯示及超限報警。檢查超聲波測距系統(tǒng)外觀有無損壞，確認各部件連接牢固，超聲測距模塊與電路板連接正常、電源連接無誤。接通電源，觀察到系統(tǒng)能正常啟動，液晶顯示屏亮起并顯示初始信息。讓障礙物在一定范圍內(nèi)連續(xù)移動，觀察到系統(tǒng)能馬上、準確地更新距離數(shù)據(jù)，不存在數(shù)據(jù)卡頓、跳變等異常情況。確認溫度、距離等信息在顯示屏上的顯示位置符合設計要求。綜合各項功能測試結(jié)果，測距精度在允許誤差范圍內(nèi)、量程測試響應正常、各功能顯示準確清晰、按鍵操作響應及時且功能正常、蜂鳴器報警可靠，超聲波測距系統(tǒng)完整功能實物測試通過，能滿足實際使用需求。在設計調(diào)試的過程中，通過修改完善程序代碼，換掉壞掉的零件，解決了遇到的問題。其中，焊接時出現(xiàn)的一個故障很有代表性。電路板焊接好通電后，LCD1602顯示屏能正常顯示，可溫度數(shù)值一直是0。仔細檢查了DS18B20周圍的焊接情況，沒有虛焊問題。為了找到原因，更換了一個DS18B20，結(jié)果溫度顯示還是不對。后來重新查看資料，看到DS18B20的管腳圖，懷疑是安裝方向弄反了。于是把DS18B20翻轉(zhuǎn)過來，再測試時，溫度就能正常顯示了，故障也就排除了。圖5-SEQ圖5-\*ARABIC3系統(tǒng)裝置實物圖

128936總結(jié)與展望28376.1總結(jié)對超聲波測距技術相關文獻展開了研究，結(jié)合國內(nèi)外該技術的發(fā)展狀況以及實際使用時的需求，設計并達成了基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，此系統(tǒng)借助模塊化設計達成了高精度測距、溫度補償、實時顯示以及報警等功能，以下是具體的總結(jié)內(nèi)容：在硬件選型工作當中，將STC89C52單片機作為核心控制單元，由其來負責協(xié)調(diào)各個模塊一同開展工作，對于測距模塊而言，選用了HC-SR04超聲波傳感器，該傳感器有非接觸式測量特性以及高響應速度，可契合系統(tǒng)提出的需求，為使測量結(jié)果更為精確，添加了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，借助實時環(huán)境溫度對聲速值進行補償，以此減少溫度給聲速造成的影響。在人機交互模塊之中，運用1602LCD液晶顯示屏對距離、溫度以及報警狀態(tài)進行實時顯示，借助獨立按鍵來設計模式切換與參數(shù)設置功能，蜂鳴器模塊可在檢測距離低于安全閾值的情況下觸發(fā)報警。于軟件設計而言，運用模塊化編程架構，把功能劃分作主程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、報警子程序以及按鍵子程序，不過程序設計之中存在一些不夠完善之處，需持續(xù)更新并思考改進辦法。經(jīng)實物功能測試，各硬件模塊協(xié)同工作穩(wěn)定，整體系統(tǒng)運行正常，主要功能均達到設計目標。以下為系統(tǒng)功能實現(xiàn)概述：系統(tǒng)默認啟動自動測距模式，通過HC-SR04超聲波傳感器發(fā)射40kHz脈沖信號，接收回波后計算時間差，結(jié)合DS18B20溫度傳感器實時補償聲速，最終按公式S=vt/2計算距離，精度達±3cm，測距范圍覆蓋0.02m-4m。并在液晶上顯示。用戶可通過按鍵切換正常測量模式與閾值設置模式（最大/最小值），LCD實時顯示設置參數(shù)。閾值超限時，蜂鳴器觸發(fā)報警。該系統(tǒng)通過軟硬件協(xié)同設計，實現(xiàn)了高精度、高穩(wěn)定性的超聲波測距功能，同時結(jié)合了溫度補償和報警機制。所以，能夠在智能避障、工業(yè)檢測等很多領域廣泛使用。6.2展望隨著智能技術不斷發(fā)展，以單片機為基礎構建的測距系統(tǒng)，在技術改良以及應用場景方面，將會呈現(xiàn)出更為良好的發(fā)展態(tài)勢，當前設計已然取得了一定成效，然而仍有拓展的空間，盡管該系統(tǒng)于空曠區(qū)域的表現(xiàn)較為出色，但是在存在諸多障礙物的復雜環(huán)境之中，超聲波回波極易受到干擾，這種干擾有可能致使測量誤差增大，或者引發(fā)誤報警的狀況，故而需要加以優(yōu)化處理。功能拓展乃是未來研究的一項關鍵方向，可增添藍牙或者Wi-Fi模塊，以此達成無線通信目的，契合不同場景下的使用需求，除此之外，將超聲測距系統(tǒng)與其他傳感器進行深度融合，可為智能機器人在復雜環(huán)境中導航以及智能家居精準感知環(huán)境，提供更為豐富的數(shù)據(jù)支撐，基于單片機的超聲測距系統(tǒng)在未來，會于更多領域發(fā)揮關鍵作用，為人們的生產(chǎn)生活帶來更多全新的變化。參考文獻李戈,孟祥杰,王曉華,等.國內(nèi)超聲波測距研究應用現(xiàn)狀[J].測繪科學,2011,36(04):60-62.杜新法,崔陸軍,黃龍飛,等.基于單片機控制的超聲測距系統(tǒng)設計[J].中原工學院學報,2017,28(03):7-9+13.張柳.鐵路罐車超聲波高精度液位測量系統(tǒng)的研究與設計[D].長沙：長沙理工大學,2013.林志盛,熊柳,鄧曦平,等.倒車雷達預警系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)[J].實驗科學與技術,2013,11(03):176-179.RabinerLR,GoldB.TheoryandApplicationofDigitalSignalProcessing[M].Prentice-Hall,1975.ChenY,etal.PhaseDifferenceMeasurementforUltrasonicRanginginIndustrialNoiseEnvironments[J].Sensors,2016,16(12):2143.Bosch.UltrasonicSensorFusionforAutomatedParking[C].Warrendale,PA: