傳感器與測試技術(shù)課程設(shè)計1

1、傳感器與測試技術(shù)課程設(shè)計題目超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計學(xué)校四川廣播電視大學(xué)專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班級 135100083012502姓名陳康峰 學(xué)號1351001223255指導(dǎo)教師 熊紀(jì)宇完成時間2014年4月18號0目錄一、課程設(shè)計目的 2二、課程設(shè)計題目 2三、課程設(shè)計內(nèi)容及要求 21、設(shè)計內(nèi)容 22、設(shè)計要求 2四、傳感器工作原理 2五、系統(tǒng)框圖 4六、單元電路設(shè)計原理 41、led顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計 42、超聲波發(fā)射電路設(shè)計 53、超聲波接收電路設(shè)計 74 、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計 8七、 軟件設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試 91、 主程序流程圖 101.1 發(fā)射程序與接收流程圖 101.2

2、中斷子程序及流程圖 111.3 距離計算與顯示子程序 12八、設(shè)計中的問題及解決方法 13九、參考文獻 1414、課程設(shè)計目的通過傳感器及檢測技術(shù)課程設(shè)計，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計的方法和設(shè)計原則 及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用。課程設(shè)計題目：超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 三、課程設(shè)計內(nèi)容及要求1、設(shè)計內(nèi)容采用40khz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離?？刹捎冒l(fā)射和接收之間的距離, 也可將發(fā)射和接收平行放在一起，通過反射測量距離。功能：1） led數(shù)碼管顯示測量距離，精確到小數(shù)點后一位（單位：cm）。2）測量范圍：30cm- 200cm,3）誤差v 0.5cm。4）其它。

3、2、設(shè)計要求1）掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計方法。2）獨立設(shè)計原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3）設(shè)計說明書格式規(guī)范，層次合理，重點突出。并附上詳細的原理圖四、傳感器工作原理超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動， 便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動， 將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲接收波換能器。超聲測距大致有以下方法： 取輸出 脈沖的平均值電壓，該電壓（其幅值基本固定）與距離成正比，測量電壓即可測得距離；測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)

4、射超聲波與接收超聲波的時間間隔t ,測距原理如圖2-1所示，距離公式為s=ct/2 ,其中c為聲速。通過測量發(fā)射與接受裝置之間的距離h,利用直角三角形可求得d = vs2 （h/2） 2。因為s» h,則d=s, d=s= ct/2 。本測量電路采用第二種方 案。圖4-1測距原理圖在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒，但其傳播速度 v易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1c,聲速增加約0.6米/秒。聲速與溫度關(guān)系如表4-2所示。因此在測距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過對溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度 t時，超聲波傳播速

5、度 v的計算公式可近似如下：v=331.5+0.607t這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t以及現(xiàn)場環(huán)境溫度 t,就可以精確計算出發(fā)射點到障礙物之間的距離。表4-2聲速與溫度關(guān)系表:溫 度(c)-30-20-10010203040聲 速(m/s)313319325332338344350356五、系統(tǒng)框圖通信接口led顯示電路喳收六、單元電路設(shè)計原理1、led顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計顯示器是一個典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單最直觀的顯示器可以使用led發(fā)光二極管，而復(fù)雜的教完整的顯示器應(yīng)該是crt

6、監(jiān)視器或者屏幕較大的 lcd液晶屏。綜合課題的實際要求，由于只需顯示距障礙物的距離，因此選用led數(shù)碼管，通過單片機編程實現(xiàn)顯示。動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃斷adp同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極 co謔各自獨立的 受i/o線的控制。cpu向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究 竟是哪個顯示器亮， 則取決于com,而這一端是由i/o控制的，所以我們就可以自行決定 何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 com,使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮過程中，每位顯示器的

7、點亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms）,但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非人同時點亮，但只是掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點亮led數(shù)碼管無位選信號， 各數(shù)碼管是同時點亮的，每個數(shù)碼管顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時送給，其原理比較簡單。靜態(tài)掃描顯示編程容易，顯示比較清晰，亮度一般較高，但要求占用很多i/o接線口和增用不少硬件芯片，成本較高。因此，我采用動態(tài)掃描。設(shè)計的顯示電路采用 4位一體八段共陰極數(shù)碼管顯示，段碼直接由單片機的p0 口來驅(qū)動，因為p0 口的內(nèi)部無上拉電阻， 需在外部接上拉電阻； 位碼則通過4個

8、npn型三極管來驅(qū)動， 同時接單片機p2 口。顯示電路如圖 6-1所示。圖6-1顯示電路在外圍的鍵盤控制電路中，設(shè)置了四個獨立按鍵，分別與單片機的 p3.4p3.7相連，當(dāng)按下s1時，啟動超聲波發(fā)射，開始測距；當(dāng)按下 s2時，停止發(fā)射超聲波，即停止測距；s3為報警開關(guān)，當(dāng)測量到距離過近時，蜂鳴器電路發(fā)出警告，此時按下s3鍵，即可停止報警,6-2所示。s4為預(yù)留出來的按鍵，當(dāng)需要的時候可以實行編程控制。電路設(shè)計如圖圖6-2鍵盤控制電路2、超聲波發(fā)射電路設(shè)計超聲波的發(fā)射和接收是由超聲波換能器來完成的，也就是我們俗稱的探頭。超聲波的發(fā)射與接收可采用一體式的或獨立式的，但是一體式的盲區(qū)問題比較嚴(yán)重，

9、所以本次設(shè)計選擇發(fā)射和接收探頭分開的，具體將采用超聲波發(fā)射換能器tct40-16bt和超聲波接收換能器tct40-16br命名規(guī)則：型號：tct40-16bt 或（r類別：tc壓電陶瓷超聲波傳感器；t一通用性；t發(fā)射/r一接收外徑：16代表16mm 外殼材料：鋁 外殼顏色：銀色具體參數(shù)：中心頻率：40.0khz ±1.0 khz輸出電壓： 115db接收靈敏度： -65db靜電容量：2000pf±20%指向角：80°工作溫度：-20+70c超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，而以壓電式最為常用。壓電型超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，

10、它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)化成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)化為電信號，可作為接收頭。超聲波發(fā)射電路，是為了讓超聲波發(fā)射換能器tct40-16bt能向外界發(fā)出40 khz左右的方波脈沖信號。40 khz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由 555振 蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機p1.0端口輸出40 khz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 khz方波脈沖信號分成兩路，一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經(jīng)兩級反相器后送到超聲波換能

11、器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，實際上構(gòu)成了一個橋式電路，輸入與輸出的相位圖如圖 3-4所示，再加上輸出端上拉電阻r3, r4, 一方面可以提高反向器mc14069ub俞出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果， 縮短其自由振蕩的時間。發(fā)射電路如圖6-3所示。圖 6-3 超聲波發(fā)射電路3、超聲波接收電路設(shè)計上述 tct40-16bt 發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器tct40-16br進行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片cx

12、20106,得到一個負脈沖送給單片機的 p3.2(int0) 引腳，以產(chǎn)生一個中斷。cx20l06a 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外接收芯片，也適用于超聲波接收。其采用單列 8腳直插式，超小型封裝。+5v供電。以下是 cx20l06a 的引腳注釋：1腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40k q。2腳：該腳與 gn義間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改 變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r或減小c,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降， 反之則放大倍數(shù)增大。但 c 的改變會影響到頻率特性， 一般在實際使用 中不必改動，推薦選用參數(shù)為r=4.7 q , c=3

13、.3科f。3腳：該腳與gn防間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若 容量小， 則為峰值檢波， 瞬間相應(yīng)靈敏度高， 但檢波輸出的脈沖寬度變動大， 易造成誤動作， 推薦參數(shù)為3.3f。4 腳：接地端。5腳：該腳與電源端 vcc接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率fn ,阻值越大，中心頻率越低。 例如，取r=200kq時，f042khz,若取r=220kq ,則中心頻率f038khz=6腳：該腳與gn文間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pf,如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電 阻到電源端，該電

14、阻推薦阻值為22k q ,沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8腳： 電源正極，4.5v5v。接收部分的電路如圖 6-4 所示。a圖6-4超聲波接收電路可以看到，集成芯片 cx20106在接收部分電路中起了很大的作用。cx20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，也適用于超聲波，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38 khz與測距的超聲波頻率 40 khz比較接近，而且 cx20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越 大中心頻率越低，范圍為 3060 khz。故本次設(shè)計用它來做接收電路。cx2010

15、6內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下：接收 的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端 7腳。當(dāng)接收到與cx20106濾波器中 心頻率相符的回波信號時，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到sst89e564的int0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻r7,將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40 khz ,就可達到理想的效果。4、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計由于mcs-51使用的是正邏輯的 ttl電平，為了達到電平匹配， 在mcs-5

16、1組成系統(tǒng)板 上的rs口必須經(jīng)電平轉(zhuǎn)化后輸出，可以使用美信max232eca；片，外圍電路非常簡單，只需要4個0.1 pf的電容器，可以實現(xiàn)與計算機的通信，電路如圖6-5所示。圖6-5串口通信電路如圖6-6所示，蜂鳴器的正極接到vcc(+5v)電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的集電極，三極管的基極經(jīng)過限流電阻r20后由單片機的p1.1引腳控制，當(dāng)p1.1輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制 p1.1腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng) p1.1輸出高電平時，三極管截止，沒有電流通過線 圈，蜂鳴器不發(fā)聲。我們在測距過程中，當(dāng)與障礙物的距離過近，蜂鳴器

17、就可以發(fā)出報警音，起到提示的作用。七、軟件設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括中斷主程序、入口程序、定時器 0中斷程序、顯示子程序、超聲波發(fā)射子程序、延時子程序、距離計算子程序和報警子程序設(shè)計等。1、主程序流程圖主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器t0工作模式為16位定時/計數(shù)器模式,置位總中斷允許位 ea并清計數(shù)器，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了 避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時0.1ms (這也就是超聲波測距系統(tǒng)會有一個最小可測距離的原因)后才可打開外部中斷 。接收返回的超聲波信號。由于采用的是24mhz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是

18、0.5 ws,所以當(dāng)當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，調(diào)用測距子程序，即可算得被測物與測距器之間的距離，最后顯示在led上，主程序流程圖如圖7-1所示。圖7-1主程序流程圖1.1 發(fā)射程序與接收流程圖系統(tǒng)軟件編制時應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計中p1.0引腳連接到推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，p1.0引腳輸出的將是軟件方式產(chǎn)生的40 khz方波，而p3.2(int0)則被用來接收回波。定時器t1, t0均工作在工作方式1,為16位計數(shù)，t1定時器被用來開啟一次測距過程 以它的溢出為標(biāo)志開始一個發(fā)射測量循環(huán)，t0定時器是用來

19、計算脈沖往返時間，它們的初值均設(shè)為0。超聲波的接收由接收子程序來執(zhí)行,接收子程序如圖4-2所示。首先初始化，其次發(fā)射超聲波，接收端判斷是否有回波，若時間大于30ms仍沒檢測到回波則重新發(fā)射超聲波；若有回波，通過軟件濾波，判斷是否為回波信號，是回波，則讀取時間，繼續(xù)調(diào)用計算距離子 程序，最后顯示出測量的距離。1.2 中斷子程序及流程圖當(dāng)超聲波接收器收到返回的信號會給單片機一個外部中斷，在程序中定義為外部中斷 0, int0中斷在程序中的作用是形成中斷進行跳轉(zhuǎn)進入中斷子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)我在程序設(shè)計 上的思維，使整個程序符合邏輯設(shè)計。中斷子程序流程圖如圖 4-3所示。在程序中應(yīng)注意進中斷時變量的保存及出中斷時變量的恢復(fù)。當(dāng)有外部中斷時，將由硬件置位中斷標(biāo)志寄存器的exintf0或exintf1位（exintf0或exintf1位由硬件置位，由軟件清零），為避免進 入中斷死循環(huán)，必須在退出中斷子程序時用軟件清除該標(biāo)志位。系統(tǒng)在進入中斷時會自動關(guān)中斷，之后進入處理子程序。接收中斷后，讀取定時器值，設(shè)置標(biāo)志位。關(guān)閉定時器圖7-3中斷子程序流程圖1.3 距離計算與顯示子程序由于超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器t在某一時