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基于单片机的超声波测距系统设计

超声波测距系统在物联网和机器人等领域有着广泛的应用。超声波作

为一种非接触的测量方式，可以有效地避免物体表面的污染，适用于

各种环境下的距离测量。本文将介绍基于单片机的超声波测距系统的

设计方法。

超声波测距的原理

超声波测距是基于声波传播时间的测量。超声波发射器发出超声波，

经物体反射后被接收器接收。根据声波的传播速度和接收时间，可以

计算出超声波的传播距离。常用的超声波频率为40kHz左右，其传播

速度约为340m/s。

单片机与超声波测距

在超声波测距系统中，单片机作为主控制器，负责控制整个系统的运

行。它接收来自超声波发射器的信号，触发超声波的发送，并计时等

待超声波的返回。当超声波被接收器接收时，单片机通过计算时间差

来计算距离。

距离计算

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距离计算公式为：距离=声速×时间差/2。在系统中，声速是已

知量，因此关键是准确测量时间差。单片机通过计时器来精确测量从

超声波发射到接收的时间，从而计算出距离。

误差分析

超声波测距系统可能出现的误差主要有以下几种：

1、计时器计时误差：这是时间测量误差的主要来源。为提高计时精

度，可以使用高精度的计时器或者采取软件滤波算法来降低误差。

2、声速误差：由于环境温度、湿度等因素的影响，声速可能会发生

变化，从而影响测量结果。可以通过引入温度传感器来对声速进行补

偿，以减小误差。

3、反射面误差：由于被测物体的表面形状和质地等原因，超声波可

能无法完全反射回来，导致测量结果偏小。为减少误差，可以在发射

端和接收端加装角度调节装置，使超声波尽量垂直于被测物体表面。

应用实例

以下是一个基于单片机的超声波测距系统的设计实例：

1、硬件选择：选用STM32F103C8T6单片机作为主控制器，并选用

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HC-SR04超声波传感器作为超声波发射和接收器。该传感器具有外接

和控制电路简单、性能稳定、可靠性高等优点。

2、硬件连接：将超声波传感器的Trig和Echo引脚分别连接到单片

机的GPIO口，以控制超声波的发射和接收。同时，将温度传感器连

接到单片机的另一个GPIO口，以补偿声速。

3、软件设计：编写程序控制单片机定时器产生一定间隔的方波信号，

该信号触发超声波传感器发射超声波。同时，程序启动定时器计时，

等待超声波返回并被接收器接收。当接收到回波时，定时器停止计时。

通过计算定时器的计数值，可以得出超声波的传播时间，进而计算出

距离。

4、距离计算：根据上述公式计算距离。需要注意的是，由于单片机

计算时间和数据处理能力有限，可能需要采用一定的算法和技巧来提

高计算精度和稳定性。

5、系统调试与优化：在系统实现过程中，需要进行多次调试和优化，

以确保系统可靠性和稳定性。例如，可以通过调整单片机定时器的计

数值来优化计时精度；通过实验测定不同温度下的声速，建立温度与

声速的关系，以补偿声速误差。

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总结

基于单片机的超声波测距系统具有广泛的应用前景和重要的现实意

义。通过掌握超声波测距的基本原理和单片机控制技术，结合误差分

析和实际应用需求，可以设计出高精度、高稳定性的超声波测距系统，

为物联网、机器人