超聲波測(cè)距儀課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2010 年 12 月 29超聲波測(cè)距設(shè)計(jì)報(bào)告長(zhǎng)長(zhǎng)沙沙民民政政學(xué)學(xué)院院超超聲聲波波測(cè)測(cè)距距儀儀課課程程 設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)報(bào)報(bào)告告 電電子子 系系應(yīng)應(yīng)電電0934 班班設(shè)計(jì)人：張人熙、陳岳武指導(dǎo)老師：蘇宏艮、張艷陽(yáng)、李桂平2目目 錄錄 1 引言引言.2 2 實(shí)習(xí)目的實(shí)習(xí)目的.2 2.1 方案設(shè)計(jì)與論證方案設(shè)計(jì)與論證.2 3 超聲波測(cè)距儀原理超聲波測(cè)距儀原理.3 3.1 超聲波測(cè)距儀超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成.3 3.2 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì).4 3.3 元器件清單元器件清單.5 3.4 測(cè)距儀原理圖測(cè)距儀原理圖.6 3.5 測(cè)距儀測(cè)距儀 pcb 板圖板圖.6 4 制板制板.7 5 電路組裝電路組裝.7 5

2、. 1 元器件準(zhǔn)備與焊接元器件準(zhǔn)備與焊接.8 5.2 軟件設(shè)計(jì)與工作流程軟件設(shè)計(jì)與工作流程.9 6 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試.12 7 設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié).13 8. 心得體會(huì)心得體會(huì).13 致謝致謝.143超聲波測(cè)距儀的組裝與調(diào)試超聲波測(cè)距儀的組裝與調(diào)試摘要摘要：隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，新型的電子科學(xué)已經(jīng)成為國(guó)家發(fā)展富強(qiáng)的一個(gè)重要的前提，掌握一定的電子技術(shù)已成為對(duì)每一個(gè)電子方面專業(yè)人員的基本要求。超聲波測(cè)距儀的裝配與調(diào)試是高頻電子電路的一門最重要的實(shí)訓(xùn)課程，通過(guò)本課程設(shè)計(jì)可以加深我們們對(duì)無(wú)線電發(fā)送與接收設(shè)備中的有關(guān)電路的原理組成與功能的認(rèn)識(shí)，同時(shí)該課程設(shè)計(jì)也融合了模電與數(shù)電的知識(shí)，鞏固了我們們對(duì)學(xué)過(guò)的知

3、識(shí)的總結(jié)。關(guān)鍵字關(guān)鍵字：超聲波；測(cè)距儀；課程設(shè)計(jì)；模電；數(shù)電1 引言引言電子技術(shù)實(shí)習(xí)的主要目的就是培養(yǎng)我們們的動(dòng)手能力，要我們們對(duì)電子元器件識(shí)別，相應(yīng)工具的操作，相關(guān)儀器的使用，電子設(shè)備制作、裝調(diào)的全過(guò)程，掌握查找及排除電子電路故障的常用方法有個(gè)更加詳實(shí)的體驗(yàn)，不能在面對(duì)這樣的東西時(shí)還像以前那樣一籌莫展。有助于我們們對(duì)理論知識(shí)的理解，幫助我們們學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)。使我們們對(duì)電子元件及超聲波測(cè)距儀的裝機(jī)與調(diào)試有一定的感性和理性認(rèn)識(shí)，打好日后深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)實(shí)習(xí)使我們獲得了超聲波測(cè)距儀的實(shí)際生產(chǎn)知識(shí)和裝配技能，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，增強(qiáng)獨(dú)立工作的能力。同時(shí)也培養(yǎng)

4、同學(xué)之間的團(tuán)隊(duì)合作、共同探討、共同前進(jìn)的精神。2 實(shí)習(xí)目的實(shí)習(xí)目的a).了解超聲波測(cè)距儀的基本知識(shí)及工作原理b).了解安全用電知識(shí)，學(xué)習(xí)安全操作要領(lǐng)c).認(rèn)識(shí)圖紙，掌握電子元件分類方法和元件標(biāo)稱值的表示方法及性能和簡(jiǎn)單測(cè)量，養(yǎng)成使用技術(shù)術(shù)語(yǔ)的習(xí)慣d).熟悉電子裝焊工藝的基本知識(shí)和原理，掌握焊接技術(shù)并裝焊一臺(tái)正規(guī)的電子產(chǎn)品2.1 方案設(shè)計(jì)與論證方案設(shè)計(jì)與論證對(duì)照元件清單目錄表檢察元件是否齊全；認(rèn)識(shí)識(shí)別各種元器件以及認(rèn)清起作用；學(xué)習(xí)超聲波測(cè)距儀電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化的工作原理；按照電路圖將元器件焊接在與之對(duì)應(yīng)的位置處；裝配完畢后，通電進(jìn)行測(cè)試，若各項(xiàng)功能齊全，則進(jìn)行下一步，若存在缺陷，則用萬(wàn)用表進(jìn)行

5、檢查并糾正；作一些基本的調(diào)試；把應(yīng)該固定的地方牢固的封??；把焊接好的電路板與外殼組裝；檢查驗(yàn)收。43 3超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距原理在某一時(shí)刻給超聲波發(fā)生器施加 40khz 方波信號(hào)，發(fā)生器發(fā)出超聲波，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器接收到。只要計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收的時(shí)間差，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)算出被測(cè)物體的距離 d=s/2=(vt)/2 。其中 d 為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，s 為超聲波往返通過(guò)的路程，v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。由于超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求較

6、高，則還要通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ２煌瑴囟认鲁暡ㄔ诳諝庵袀鞑ニ俣入S溫度變化的關(guān)系：v=331.4+0.61t。式中，t 為實(shí)際溫度()。 3.1 基于單片機(jī)超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)構(gòu)成基于單片機(jī)超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)構(gòu)成3.2 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)2.1 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路由 40khz 振蕩電路、驅(qū)動(dòng)電路、超聲波發(fā)射器構(gòu)成。2.1.1 40khz 振蕩電路振蕩電路單片機(jī)系統(tǒng)超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路顯示電路溫度補(bǔ)償電路鍵盤電路ds/2s/2超聲波發(fā)射器超聲波接收器40khz 振蕩電路驅(qū)動(dòng)電路540khz 振蕩可采用軟件和硬件兩種方案實(shí)現(xiàn)。軟件方案是利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器定時(shí)產(chǎn)

7、生 40khz 方波輸出，但會(huì)耗費(fèi)單片機(jī) cpu 時(shí)間，建議采用硬件方案。40khz 振蕩電路：與非門多諧振蕩器振蕩電路：與非門多諧振蕩器集成四與非門芯片 74ls00 的 u1a、u1b 構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生超聲波發(fā)射的 40khz 方波信號(hào)，電路振蕩頻率 f1/2.2r1c1，通過(guò)調(diào)節(jié) 20k 的電位器可微調(diào)振蕩頻率。單片機(jī) i/o 口輸出的控制信號(hào)由 u1b 輸入，控制超聲波的振蕩與停止。u1c 為整形輸出。2.1.2 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路：非門組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路：非門組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路cd4069 是 cmos 集成六非門芯片，用它按下圖構(gòu)成超聲

8、波發(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路。2.2 超聲波接收電路超聲波接收電路超聲波接收電路由放大、整形、譯碼電路構(gòu)成。超聲波接收電路：音頻譯碼集成塊構(gòu)成接收電路超聲波接收電路：音頻譯碼集成塊構(gòu)成接收電路接收頭將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，通過(guò) cmos 6 非門芯片cd4069 整形，整形后的信號(hào)由 c3 耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊 lm567的輸入端 3 腳，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度落在其中心頻率上時(shí)，lm567 的邏輯輸出端w 110 k123&u 1a74 ls 00456&u 1b74 ls 008910&u 1c74 ls 00r 110 0kc 110 0p停停停停停停停40

9、k hz 停停放大整形譯碼68 腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖健? 腳輸出的低電平接單片機(jī)的外部中斷引腳，單片機(jī)接收到低電平后觸發(fā)中斷，調(diào)用計(jì)算子程序計(jì)算距離。 2.3 溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路采用數(shù)字溫度傳感器 ds18b20 來(lái)采集溫度，ds18b20 是美國(guó) dallas 公司生產(chǎn)的 1-wire 總線串行數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種溫度測(cè)控系統(tǒng)。它的測(cè)量溫度范圍為-55+125，精度可達(dá) 0.0675，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 200ms。ds18b20 可以直接讀出被測(cè)溫度值,而且采用了 1 線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本

10、和易使用的特點(diǎn)。3.33.3 元器件清單元器件清單元器件元器件名稱名稱規(guī)格規(guī)格* *數(shù)量數(shù)量c1c1capcap100pf100pfc2c2capcap0.1pf0.1pfc3c3capcap103103c4c4capcap pol2pol21u*21u*2c6c6capcap22002200c7c7capcap pol2pol2220u220uc8c8capcap0.10.1c9c9capcap1000pf1000pfcon1con1con1con1r1r1res2res2470470r2r2res2res21m1mr3r3res2res212k12kr4r4res2res24.7k*24.

11、7k*2r5r5res2res21k1kr8r8res2res210k10kt1t1發(fā)射器發(fā)射器t2t2接收器接收器u1u1sn74ls00dsn74ls00du2u2cd4069ubcmcd4069ubcm1*21*2u4u4lm567cnlm567cnu5u5ds18b20ds18b20w1w1rpotrpot10k10kw2w2rpotrpot5k5k73.43.4 測(cè)距儀原理圖測(cè)距儀原理圖10kw1100kr11mr24.7kr44.7kr6100pfc1123u1asn74ls00d564u1bsn74ls00d8910u1csn74ls00d12u2acd4069ubcm34u2b

12、cd4069ubcm56u2ccd4069ubcm89u2dcd4069ubcm0.1pfc212u3acd4069ubcm34u3bcd4069ubcm56u3ccd4069ubcm103c311221uc41uc5out8gnd7vcc4in3tim res5tim cap6out filt1loop filt2u4lm567cntx_control1kr512kr35kw22200c6vccvccrx_out1122c747u 16v0.1c8vccvcctemper_outvccgndtx_controlrx_outtemper_out123u5ds18b2010kr81000pfc9

13、12345con1t1t40-16t2r40-16測(cè)距儀測(cè)距儀 pcbpcb 板圖板圖4321211221212121211254321121212121212122121891011121314765432112345671413121110981234567141312111098567843211233213211284 4制板制板4.1 制板流程制板流程首先老師給我們的是鍍了銅的板子首先老師給我們的是鍍了銅的板子鉆孔鉆孔 沉銅沉銅 磨板 貼膜 蝕刻 顯影 曝光 對(duì)位 烤板 絲印字符 表面處理 成型 檢測(cè) 4.24.2 印制板成品圖印制板成品圖9電路組裝電路組裝：元器件準(zhǔn)備元器件準(zhǔn)備本系

14、統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要選取了以下一些器件：1.at89c52 為測(cè)距儀的核心單片機(jī)2.cd4049）六反相器3.lm567：雙低噪聲運(yùn)算放大器4.發(fā)射探頭 r40-16（超聲波傳感器）5.接收探頭 t40-16（超聲波傳感器）6.電容和電阻，導(dǎo)線7.單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路、鍵盤電路實(shí)驗(yàn)板上已有2、安裝步驟安裝步驟a安裝電阻（共 9 個(gè)電阻器）。b安裝電容（共 9 個(gè)電容）。c安裝大件（包括芯片、發(fā)射器、接收器，可調(diào)電位器等）。3、焊接、焊接先焊小件，后焊大件 焊接完成圖5軟件設(shè)計(jì)與工作流程軟件設(shè)計(jì)與工作流程超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們

15、們?cè)谶@里為了達(dá)到精確的要求因而完全采用了匯編語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的。程序流程如下圖所示：10其工作流程是： 程序初始化測(cè)距中斷程序顯示程序接收中斷程序計(jì)數(shù)器溢出服務(wù)程序溫度補(bǔ)償程序上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，緊接著調(diào)用顯示子程序，顯示完后等待中斷，若有中斷則執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，中斷服務(wù)程序執(zhí)行完后返回顯示程序顯示結(jié)果。 以下是我們們用匯編寫的程序：org 0000hljmp main ；主程序入口org 0003hljmp t0_int ；接收中斷服務(wù)程序入口org 000bhljmp time_out ；計(jì)數(shù)器溢出服務(wù)入口org 0013hljmp t1_int ；測(cè)距服務(wù)程序入口org

16、0100ht0_int: ；接收中斷服務(wù)程序clr tr0 ;暫停計(jì)時(shí)clr ex0 ;禁止外部中斷 0nadd: mov r3, tl0 ;時(shí)間補(bǔ)償 mov r2, th0 ;消除誤差 mov r6, #01h mov r7, #50h mov a, r3 add a, r7 mov r3, a mov a, r2 addc a, r6 mov r2, a qmul: ；乘法程序 mov r7, #0ach mov r6, #00h mov a, r3 mov b, r7 mul ab xch a, r7 mov r5, b mov b, r2 mul ab add a, r5 mov r4

17、, a clr a addc a, b mov r5, a mov a, r6 mov b, r3 mul ab add a, r4 xch a, r6 xch a, b addc a, r5 mov r5, a mov psw.5, c11 mov a, r2 mul ab add a, r5 mov r5, a clr a mov acc.0, c mov c, psw.5 addc a, b mov r4 ,a mov 20h, r7 mov 21h, r6 mov 22h, r5bin_bcd: ；二進(jìn)制碼轉(zhuǎn) bcd碼mov r0,#23h mov r7,#04h clr aloop1

18、_p0: mov r0,a inc r0 djnz r7 ,loop1_p0 mov r7,#24loop4_p0:mov r1,#20h mov r6,#03h clr aloop2_p0:mov a,r1 rlc a mov r1,a inc r1 djnz r6,loop2_p0 mov r5,#04h mov r0,#23hloop3_p0:mov a,r0 addc a,r0 da a mov r0,a inc r0 djnz r5,loop3_p0 djnz r7,loop4_p0 mov r0,#26h mov a,#00h xchd a,r0 mov 2bh,a mov a,2

19、6h swap a mov 26h,a mov r0,#26h mov a,#00h xchd a,r0 mov 2ah,a mov r0,#25h mov a,#00h xchd a,r0 mov 2dh,a mov a,25h swap a mov 25h,a mov r0,#25h mov a,#00h xchd a,r0 mov 2ch,a retit1_int: ；測(cè)距中斷服務(wù)程序mov r0, #0ffhloop_t1: mov r1, #0ffh djnz r1, $ djnz r0, loop_t1 mov tl0, #00h mov th0, #00h setb et0sen

20、d: ；發(fā)射 40khz 方波 mov r0, #20hloop1: clr p1.0 nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop nop setb p1.012 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnz r0, loop1 setb tr0 setb ex0 retitime_out: ；計(jì)數(shù)器溢出服務(wù)程序 clr tr0 clr et0 mov 2ah, #0ah mov 2bh, #0ah mov 2ch, #0ah mov 2dh, #0ah retimain: ；主程序 mov tmod, #11h

21、setb ex1 clr it1 setb ea mov ip, #00h setb px0 mov 2ah, #00h mov 2bh, #00h mov 2ch, #00h mov 2dh, #00hdisplay: ；顯示程序mov a, 2ah mov dptr, #taba movc a, a+dptr mov p0, a mov a, #0feh mov p2, a mov r7, #0ffh djnz r7, $ mov r7, #0ffh djnz r7, $ mov a, 2bh mov dptr, #taba movc a, a+dptr add a,#80h mov p0

22、, a mov a, #0fdh mov p2, a mov r7, #0ffh djnz r7, $ mov r7, #0ffh djnz r7, $ mov a, 2ch mov dptr, #taba movc a, a+dptr mov p0, a mov a, #0fbh mov p2, a mov r7, #0ffh djnz r7, $ mov r7, #0ffh djnz r7, $ mov a, 2dh mov dptr, #taba movc a, a+dptr mov p0, a mov a, #0f7h mov p2, a mov r7, #0ffh djnz r7,

23、$ mov r7, #0fdh djnz r7, $ ljmp displaytaba: ；數(shù)碼管顯示列表，前 10個(gè)為 09 ；顯示符，最后一個(gè)為錯(cuò)誤顯示符db 3fh,06h,5bh,4fh,66h,6dh,7dh,07h,7fh,6fh,40hend main6、系統(tǒng)調(diào)試超聲波測(cè)距儀中的超聲波發(fā)射和接收采用超聲波換能器 t40-16（t 發(fā)射）和t40-16（r 接收），中心頻率為 40khz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，我們們將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根

24、據(jù)實(shí)際情況修改了超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，來(lái)適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)我們們所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，該測(cè)距儀能測(cè)的范圍為 0.104.00m，在 12350cm 范圍內(nèi)測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。以下為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：實(shí)物圖實(shí)物圖實(shí)際距離12131415161718192021測(cè)量距離12131515151718192021誤 差0010100000實(shí)際距離22232425303540455060測(cè)量距離22232425303640455060誤 差0010010001實(shí)際距離708090100120140160190220250測(cè)量距離708090100119140

25、160190219250誤 差00101000107 7設(shè)計(jì)總結(jié)設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)的測(cè)量距離符合市場(chǎng)要求，測(cè)量的盲區(qū)也控制在 2cm 到 3cm 以內(nèi)。針對(duì)市場(chǎng)需求，本設(shè)計(jì)還可以加大發(fā)射功率，讓測(cè)量的距離更加的遠(yuǎn)。在顯示方面，也可以對(duì)程序做適當(dāng)改動(dòng)，使開(kāi)始發(fā)射超聲波時(shí) led 顯示出溫度值，到超聲波回波接收到以后通過(guò)計(jì)算得出距離值時(shí)，led 自動(dòng)切換顯示距離值，這樣在視覺(jué)效果上得到更加直觀的了解。通過(guò)測(cè)量范圍 12cm400cm 內(nèi)的平面物體做了多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為 3cm，顯示最小分辨率為 0.01 m。該測(cè)距儀具有使用靈活方便，穩(wěn)定性比較高、靈敏度比較高，分辨率小于0.01m, 被測(cè)目標(biāo)不需要垂直于超聲波測(cè)距儀，但角度需保持在正負(fù) 30 度之內(nèi)，被測(cè)目標(biāo)表面不需要平坦；但是在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)有一些不便的地方：1.測(cè)量時(shí)在超聲波測(cè)距儀周圍沒(méi)有其他可反射超聲波的物體，由于發(fā)射功率有限，測(cè)距儀無(wú)法測(cè)量 4.50m 外的物體。2.由于超聲波的傳播速度與溫度有關(guān)，所以不同溫度會(huì)對(duì)測(cè)量精度有影響。3.超聲波是將空氣作為媒介傳播，容易受