傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)陳進(jìn)

1、人才培養(yǎng)模式改革和開放教育試點(diǎn)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）   安徽廣播電視大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)   課題名稱 傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì) 分校名稱 馬鞍山電視（網(wǎng)絡(luò)）大學(xué) 年級(jí)名稱 2013 秋 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。學(xué)生姓名 陳進(jìn) ，指導(dǎo)教師 謝婷 ， 2015 年 12 月 1 日目錄一、課程設(shè)計(jì)目的2二、課程設(shè)計(jì)題目2三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求21、設(shè)計(jì)內(nèi)容22、設(shè)計(jì)要求2四、傳感器工作原理2五、系統(tǒng)框圖3六、單元電路設(shè)計(jì)原理41、LED顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計(jì)42、超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)53、超聲波接收電路設(shè)計(jì)

2、74 、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計(jì)8七、 軟件設(shè)計(jì)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 中斷子程序及流程圖111.3 距離計(jì)算與顯示子程序12八、設(shè)計(jì)中的問題及解決方法13九、總結(jié)13十、參考文獻(xiàn)15一、 課程設(shè)計(jì)目的 通過傳感器及檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)，掌握傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。 二、課程設(shè)計(jì)題目超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)內(nèi)容采用40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測(cè)量距離。可采用發(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(cè)量距離。功能：1）LED數(shù)碼

3、管顯示測(cè)量距離，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位（單位：cm）。 2）測(cè)量范圍：30cm200cm，3）誤差0.5cm。 4）其它。2、設(shè)計(jì)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(jì)方法。2）獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3）設(shè)計(jì)說(shuō)明書格式規(guī)范，層次合理，重點(diǎn)突出。并附上詳細(xì)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(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，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(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)，就成為超聲接收波換能器。超聲測(cè)距大致有以下方法

4、： 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(cè)量電壓即可測(cè)得距離； 測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，測(cè)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(cè)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。因?yàn)閟h，則d=s，d=s= ct/2。本測(cè)量電路采用第二種方案。 目標(biāo)hdS圖4-1 測(cè)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(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1，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(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)

5、通過對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度加以校正。已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T時(shí)，超聲波傳播速度V的計(jì)算公式可近似如下：V=331.5+0.607T這樣，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T，就可以精確計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。表4-2聲速與溫度關(guān)系表：溫度（）-30-20-10010203040聲速（m/s）313319325332338344350356五、系統(tǒng)框圖六、單元電路設(shè)計(jì)原理 1、LED顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)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(jiǎn)單最直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二

6、極管，而復(fù)雜的教完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實(shí)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(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示。 動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)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(gè)筆劃斷adp同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立的受I/O線的控制。CPU向字段輸出口送出字型碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)

7、亮。在輪流點(diǎn)亮過程中，每位顯示器的點(diǎn)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(shí)際上各位顯示器并非人同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點(diǎn)亮LED數(shù)碼管無(wú)位選信號(hào)，各數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的，每個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時(shí)送給，其原理比較簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)掃描。設(shè)計(jì)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(jī)的P0口來(lái)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)镻0口的內(nèi)部無(wú)上拉電阻，需在外部接上

8、拉電阻；位碼則通過4個(gè)NPN型三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)接單片機(jī)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(gè)獨(dú)立按鍵，分別與單片機(jī)的P3.4P3.7相連，當(dāng)按下S1時(shí)，啟動(dòng)超聲波發(fā)射，開始測(cè)距；當(dāng)按下S2時(shí)，停止發(fā)射超聲波，即停止測(cè)距；S3為報(bào)警開關(guān)，當(dāng)測(cè)量到距離過近時(shí)，蜂鳴器電路發(fā)出警告，此時(shí)按下S3鍵，即可停止報(bào)警，S4為預(yù)留出來(lái)的按鍵，當(dāng)需要的時(shí)候可以實(shí)行編程控制。電路設(shè)計(jì)如圖6-2所示。圖6-2 鍵盤控制電路2、超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射和接收是由超聲波換能器來(lái)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(dú)立式的，但是一體式的盲區(qū)

9、問題比較嚴(yán)重，所以本次設(shè)計(jì)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：l 型號(hào)：TCT40-16BT或（R）l 類別：TC壓電陶瓷超聲波傳感器；T通用性；T發(fā)射/R接收l(shuí) 外徑：16代表16mml 外殼材料：鋁l 外殼顏色：銀色具體參數(shù)：l 中心頻率：40.0kHz±1.0 kHzl 輸出電壓: 115dBl 接收靈敏度：-65dBl 靜電容量：2000pF±20%l 指向角：80°l 工作溫度: -20+70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。

10、壓電型超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)化成高頻機(jī)械振動(dòng)，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(dòng)波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(hào)。40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)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(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的

11、一個(gè)電極；另一路經(jīng)兩級(jí)反相器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)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輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jì)上述TCT40-16BT發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里

12、用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)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(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k 。2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)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(fù)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(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=4.7 ，C=3.3

13、F。3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，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(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3 F。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端VCC接入一個(gè)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=200k時(shí)，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳： 該腳與GND之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)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(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k ，沒有接

14、收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。8腳： 電源正極，4.5V5V。接收部分的電路如圖6-4所示。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(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)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(jì)用它來(lái)做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波

15、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(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，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(hào)時(shí)，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(dá)到理想的效果。4 、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計(jì)由于MCS51使用的是正邏輯的TTL電平，為了達(dá)到電平匹配，在MCS51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MAX2

16、32ECA芯片，外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要4個(gè)0.1F的電容器，可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)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(fù)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(jī)的P1.1引腳控制，當(dāng)P1.1輸出低電平時(shí)，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(lái)使蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng)P1.1輸出高電平時(shí)，三極管截止，沒有電流通過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲。我們?cè)跍y(cè)距過程中，當(dāng)與障礙物的距離過近，蜂鳴器就可以發(fā)出報(bào)警音，起到提示的作用。圖6-6 蜂鳴器電路七、 軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)

17、調(diào)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括中斷主程序、入口程序、定時(shí)器0中斷程序、顯示子程序、超聲波發(fā)射子程序、延時(shí)子程序、距離計(jì)算子程序和報(bào)警子程序設(shè)計(jì)等。1、 主程序流程圖主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并清計(jì)數(shù)器，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)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(shí)0.1ms（這也就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后才可打開外部中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是24MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是0.5s，所以當(dāng)當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，調(diào)用測(cè)距子

18、程序，即可算得被測(cè)物與測(cè)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(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時(shí)還要進(jìn)行存儲(chǔ)空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計(jì)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(lái)接收回波。定時(shí)器T1，T0均工作在工作方式1，為16位計(jì)數(shù)，T1定時(shí)器被用來(lái)開啟一次測(cè)距過程以它的溢出為標(biāo)志開始一個(gè)發(fā)射測(cè)量循環(huán)，T0定時(shí)器是用來(lái)計(jì)算脈沖往返時(shí)間，它們的初值均設(shè)為0。超聲波的接收由接收子程序來(lái)執(zhí)行

19、，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(shí)間大于30ms仍沒檢測(cè)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(hào)，是回波，則讀取時(shí)間，繼續(xù)調(diào)用計(jì)算距離子程序，最后顯示出測(cè)量的距離。圖7-2 接收子程序流程圖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(hào)會(huì)給單片機(jī)一個(gè)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(jìn)行跳轉(zhuǎn)進(jìn)入中斷子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)我在程序設(shè)計(jì)上的思維，使整個(gè)程序符合邏輯設(shè)計(jì)。中斷子程序流程圖如圖4-3所示。在程序中應(yīng)注意進(jìn)中斷時(shí)變量的保存及出中斷時(shí)變量的恢復(fù)。當(dāng)有外部中斷時(shí)，將由硬件置位中斷

20、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(jìn)入中斷死循環(huán)，必須在退出中斷子程序時(shí)用軟件清除該標(biāo)志位。系統(tǒng)在進(jìn)入中斷時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)中斷，之后進(jìn)入處理子程序。接收中斷后，讀取定時(shí)器值，設(shè)置標(biāo)志位。關(guān)閉定時(shí)器關(guān)閉中斷讀取定時(shí)器值設(shè)置標(biāo)志位返回圖7-3 中斷子程序流程圖1.3 距離計(jì)算與顯示子程序由于超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電

21、路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。開始取數(shù)據(jù)軟件譯碼（查表）送位選數(shù)據(jù)到P0送段選數(shù)據(jù)到P2顯示圖7-4 顯示流程圖八、設(shè)計(jì)中的問題及解決方法在這次的設(shè)計(jì)后我了解到，無(wú)接觸測(cè)量在當(dāng)今的社會(huì)發(fā)展當(dāng)中已經(jīng)變得十分重要，而超聲波作為非接觸測(cè)量的一種方法，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。盡管本設(shè)計(jì)成功完成，但其中仍然存在著很大的改進(jìn)空間。系統(tǒng)中仍有可以提高的方面，如考慮進(jìn)去溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}，以及提