自動(dòng)倒車測距系統(tǒng)

1、 傳感器課程設(shè)計(jì) 超聲波倒車測距 班級(jí)： 11電子B班 姓名： 任 靜 學(xué)號(hào)： 華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院目錄摘要：3目錄2一、系統(tǒng)相關(guān)原理31 整體原理圖32 超聲波發(fā)送原理圖5二、51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測距原理53、 硬件電路的設(shè)計(jì) 1、 原理圖- 6 2、 仿真- 7 3、超聲波發(fā)送電路- 8 4、超聲波接收電路- 9四、總結(jié)8五、參考文獻(xiàn)9六、附錄101 測距程序112 HCSR04超聲波測距模塊說明書15摘要： 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)

2、域。展望未來，超聲波傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測和識(shí)別.無庸置疑，未來的超聲波傳感器將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的傳感器集成和融合，形成多傳感器。隨著傳感器的技術(shù)進(jìn)步，傳感器將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的傳感器將發(fā)揮更大的作用。設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度

3、、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊，LED顯示。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。 超聲波測距原理發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由S = vt /2 即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v 與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲

4、速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ１?-1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100聲速（ms） 313 319 325 323 338 344 349 386 超聲波在相同的傳播媒體里 (大氣條件) 傳播速度相同, 即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化, 波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致, 是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波, 它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的, 波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的。式中, A (x ) 為振幅, A 0 為常數(shù), 為圓頻率, t 為時(shí)間, x 為傳播距離, k= 2/為波數(shù), 為波長, 為

5、衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為=af2 （3）式中, a 為介質(zhì)常數(shù), f 為振動(dòng)頻率。在空氣里, a =210- 13 s2/cm, 當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f = 40kHz (超聲波) 代入式(3) 可得 a = 3.210-4 cm-1 , 即1/= 31m;若f = 30 kHz, 則1/= 56m。它的物理意義是: 聲波在空氣媒質(zhì)里傳播, 因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因, 能量被吸收損耗。在 (1/) 長度上, 平面聲波的振幅衰減為原來的e 分之一, 由此可以看出, 頻率越高, 衰減得越厲害, 傳播的距離也越短?？紤]實(shí)際工程測量要求,在設(shè)計(jì)超聲波測距儀時(shí), 選用頻率f = 40k

6、Hz 的超聲波, 波長為34000/40000=0.85cm。 超聲波測距模塊原理框圖： 如下圖1-1，單片機(jī)發(fā)出40kHZ 的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED 顯示。 Hcsr04的收發(fā)原理：Hcsr04用戶手冊(cè)：初始化時(shí)將trig和echo端口都置低，首先向給 trig 發(fā)送至少10 us的高電平脈沖（模塊自動(dòng)向外發(fā)送8個(gè)40K的方波），然后等待，捕捉 echo 端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時(shí)，打開定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，再次等待捕捉echo

7、的下降沿，當(dāng)捕捉到下降沿，讀出計(jì)時(shí)器的時(shí)間，這就是超聲波在空氣中運(yùn)行的時(shí)間，按照 測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2 就可以算出超聲波到障礙物的距離。51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)：5l系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器TO和T1，4個(gè)8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片

8、機(jī)引腳與封裝如右圖所示。5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條工O線；2個(gè)16b定時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。測距原理圖：供電方式選擇：AT89C51：（P0.0：超聲波發(fā)送P3.2：超聲波接收P2：數(shù)碼管顯示P0.2：數(shù)碼管位選P0.4：數(shù)碼管

9、位選P0.6：數(shù)碼管位選蜂鳴器：晶振：仿真：按原理圖和程序連接好protues電路圖超聲波傳感器用555來延時(shí)，模擬電磁波發(fā)送和接收。調(diào)節(jié)來控制高電平的占空比來模擬距離長短超聲波發(fā)射電路：超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2-2所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電

10、平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波檢測接收電路：集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接

11、收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20106由:前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益,在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過載。其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳5的外接電阻調(diào)節(jié)。其主要指標(biāo):單電源5V供電，電壓增益77 -

12、 79DB , 輸入阻抗27 K , 濾波器中心頻率30 K- 60 KHz。功能可描述為: 在接收到與濾波器中心頻率相符的信號(hào)時(shí),其輸出腳7腳輸出低電平。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強(qiáng)。CX20106采用8腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4。超聲波接收器能將接受到的發(fā)射電路所發(fā)射的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)十伏至數(shù)百伏的電信號(hào)，送到CX20106的腳，CX20106的總放大增益約為80dB，以確保其腳輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅度在3.55V 范內(nèi)。總增益大小由腳外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。C1取值過大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，通常取為1uf。C2為檢波電容，

13、一般取3.3uf。CX20106 采用峰值檢波方式，當(dāng)C2容量較大時(shí)將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度會(huì)變低，C2較小時(shí)雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，容易造成解調(diào)出錯(cuò)而產(chǎn)生誤操作。R2為帶通濾波器中心頻率f0的外部電阻，改變R2阻值，可改變載波信號(hào)的接受頻率，當(dāng)f0偏離載波頻率時(shí)，放大增益會(huì)顯著下降，C3為積分電容，一般取330pf，取值過大，雖然可使抗干擾能力增強(qiáng)，但也會(huì)使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增長，造成遙控距離變短。腳為輸出端，CX20106 處理后的脈沖信號(hào)由腳輸出給單片機(jī)處理從而獲得顯示輸出。本系統(tǒng)中應(yīng)用的接收電路見圖5 , 當(dāng)89C51

14、的P1.7為高電平時(shí)三級(jí)管V1導(dǎo)通，+5V電源通過繼電器線圈和V1的發(fā)射結(jié)到地，使繼電器K1接通，R2和R3并聯(lián)組成5電阻通過C1組成RC電路，控制紅外接收專用集成電路CX20106的增益，使其7腳輸出一定幅度的電壓信號(hào)到89C51的P0.2口以觸發(fā)中斷?？偨Y(jié)：這次課設(shè)在收集資料方面很輕松，因?yàn)槌暡y距這塊已經(jīng)在市場上非常成熟，但是我在仿真和做板上遇到了困難 ，仿真是因?yàn)閜rotues中沒有hcsr04超聲波傳感器，就需要用其他的電路代替它模擬超聲波的發(fā)送和接收，經(jīng)過查資料我發(fā)現(xiàn)可以用555延時(shí)來代替超聲波的發(fā)送和接收，還有就是做板的時(shí)候出現(xiàn)了數(shù)碼管只顯示520的情況，就說明只有數(shù)碼管在工作

15、而超聲波傳感器沒有工作，雖然換了傳感器，但是還是不能正常工作，于是請(qǐng)教了一學(xué)長，原來是我vcc沒有接到hcsr04的vcc上，沒有驅(qū)動(dòng)它。經(jīng)過改進(jìn)終于可以工作。參考文獻(xiàn)： 1 胡萍.超聲波測距儀的研制.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2003.102 時(shí)德剛，劉嘩.超聲波測距的研究.計(jì)算機(jī)測量與控制，2002.103 樊昌元，丁義元. 高精度測距雷達(dá)研究.電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2000.104 陳光東.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版).武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.45 蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京：人民郵電出版社，1993.76 張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京：中國科技大學(xué)出版社，199

16、3.107 蘇偉，鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術(shù)，2004.附錄：超聲波測水位程序：#include #include /調(diào)用頭文件#include /調(diào)用頭文件#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define csbout P0_0 /電磁波波發(fā)送#define csbint P3_2 /電磁波接收#define LED P2 /數(shù)碼管段sbit bj=P33; /報(bào)警值輸出（聲音）sbit LED3 = P02;/數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)sbit LED2 = P04;/數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)sbit LED1 = P06;/數(shù)碼管位

17、驅(qū)動(dòng)uchar xm1,xm2,xm0,sj1,buffer3;uchar convert10=0x60,0x7E,0xA2,0x2A,0x3C,0x29,0x21,0x7A,0x20,0x28; /數(shù)碼管顯示段碼static unsigned char temp; uint s,i,t,sj2,sj3;float csbc,wdz;void csbcj();/調(diào)用電磁波測距程序void delay(i);/延時(shí)函數(shù)void scanLED();/顯示函數(shù)void timeToBuffer();/顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)void csbsc();/用溫度值換算電磁波速度void main()EA=1; /

18、開中斷 TMOD=0x11; /設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)ET0=1; /定時(shí)器0中斷允許 sj1=5;/測量下限值sj2=100;/報(bào)警值sj3=550;/測量上限值 temp=20;/當(dāng)前溫度值csbsc();while(1)csbcj();/調(diào)用電磁波測距程序if(ssj3)/大于時(shí)顯示“CCC” buffer0=0xE1; buffer1=0xE1; buffer2=0xE1;else if(ssj1)/小于時(shí)顯示“- - -”buffer2=0xBF;buffer1=0xBF;buffer0=0xBF;else timeToBuffer();/調(diào)用轉(zhuǎn)換段碼功能模塊if(s=2500)/如果達(dá)到一定時(shí)間沒有收到回波,則將csbint置零,退出接收回波處理程序csbint=0;csbint=1;TR0=0;/關(guān)閉定時(shí)器t=TH0;t=t*256+TL0;s=t*csbc-8;/計(jì)算測量結(jié)果 -8為測量值修證數(shù)void csbsc() /根據(jù)給定的溫度計(jì)算電磁波速度wdz=0.*temp;csbc=0.03314+wdz;csbc=csbc/2;HC-SR04超聲波測距模塊說明書