濰坊科技學院

1、濰坊科技學院機電工程學院設計題目： 超聲波測距儀的設計 專業(yè)班級： 09機電1班 學生姓名： 杜佳南 學 號： 目 錄一、課程設計目的3二、內容及要求32.1、設計內容 32.2、設計要求 3三、超聲波傳感器的工作原理3四、系統(tǒng)框圖4五、單元電路設計原理45.1、51系列單片機的功能特55.2、超聲波發(fā)射電路 55.3、超聲波檢測接收電路 6六、完整的電路圖7七、程序流程圖7八、參考文獻8九、設計中的問題及解決方法9十、總結正文一、課程設計目的通過傳感器及檢測技術課程設計，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設計的方法和設計原則及相應的硬件調試的方法。進一步理解傳感器及檢測儀的設計和應用。二、內容及要求超聲波

2、測距系統(tǒng)設計2.1設計內容采用40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離。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：30cm200cm。3）誤差0.5cm。 4）其它。2.2設計要求1）掌握傳感器的工作原理及相應的輔助電路設計方法。2）獨立設計原理圖及相應的硬件電路。3）設計說明書格式規(guī)范，層次合理，重點突出。并附上詳細的原理圖。三、超聲波傳感器的工作原理由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，

3、計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到農業(yè)生產等自動化的使用要求。 目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本文采用AT89C51單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。理論計算如圖1所示為反射時間法，是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時

4、間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時間T利用公式S=C*(T/2) 其中，S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時間（T=T1+T2），這樣可以求出距離：S=C(T1T2)/2圖1 測距的原理超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當

5、收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0或INT1端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。四、系統(tǒng)框圖單片機發(fā)出40kHZ的信號，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經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路定時器單片機控制顯示器圖2 超聲波測距儀原理框圖五、單元電路設計原理硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT

6、89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS04驅動。5.1 51系列單片機的功能特點5l系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，4KB的ROM，256B的RAM，2個16B的定時/計數(shù)器T0和T1，4個8 B的I/O端口：P0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的Flash可編程、可擦除只讀存儲器

7、(EPROM)，使其在實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。該系列單片機引腳與封裝如圖3所示。圖3 51系列單片機封裝圖5l系列單片機提供以下功能：4KB存儲器；256BRAM；32條I/O線；2個16B定時/計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時/計數(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位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)

8、。5.2超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4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構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R7、R8一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。圖4 超聲波發(fā)射電路原理圖壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電

9、晶片和一個換能板。當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率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時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構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。5.3 超聲波檢測接收電路如圖5可以看到，集成芯片CX40106在接收部分電路中起了很大的作用。CX40106是一款應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

10、38 KHz與測距的超聲波頻率40 KHz比較接近，而且CX40106內部設置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 KHz。故本次設計用它來做接收電路。CX40106內部由前置放大器、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。當接收到與CX40106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AT89C51的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可

11、調節(jié)芯片引腳5的外接電阻R2，將濾波器的中心頻率設置在40KHz，就可達到理想的效果。圖5 超聲波檢測接收電路六、完整的電路圖（附于設計報告最后）開始七、程序流程圖初始化定時器啟動定時器T0發(fā)射超聲波N開中斷準備接收聲波返回Y關閉定時器讀取所記數(shù)值 圖6 主程序流程圖八、參考文獻1 梁森.自動檢測技術及應用.北京：機械工業(yè)出版社.2010.1 2 華兵.MCS-51單片機原理應用.武漢：武漢華中科技大學出版社.2002.53 胡萍.超聲波測距儀的研制.計算機與現(xiàn)代化.2003.104 時德剛.劉嘩.超聲波測距的研究.計算機測量與控制.2002.105 李華.MCU-51系列單片機實用接口技術.

12、北京：北京航空航天大學出版社.1993.66 蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京：人民郵電出版社.1993.77 張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京：中國科技大學出版社.1993.108 蘇偉.鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術.2004九、設計中的問題及解決方法單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr，然后求出距離sct/2，式中的c為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量

13、的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關。十、總結以往每做一次課程設計，感覺自己的收獲總會不少，這次也不例外經(jīng)過為期兩個星期的課程設計，我將傳感器及檢測技術中的理論與實踐相結合起來，對超聲波傳感器的原理及功能也有了進一步認識理解，還將單片機的原理結合起來了。做課程設計是為了讓我們對平時學習的理論知識與實際操作相結合，在理論和實驗教學基礎上進一步鞏固已學基本理論及應用知識并加以綜合提高，學會將知識應用于實際的方法，提高分析和解決問題的能力。還有一點讓我很感動，遇到問題時，同學不厭其煩的幫忙解決問題舉動，意識

14、了一個團體力量的偉大。在設計中，我們的設計思維，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力得到了很大的提高，也對電子設計有了很大的興趣。現(xiàn)在的社會是科技的社會，在以后的學習生活中，我們會更加努力學習培養(yǎng)自己獨立思考的能力，從而更加適應社會。最后希望通過以后的學習，不斷提升自身各方面的能力，如對專業(yè)知識的掌握程度，動手實踐能力等。經(jīng)過此次的課程設計，我們學會了合作。我們要形成自己的設計思想，以便在今后的專業(yè)課形成自己的風格。同時在多多鍛煉自己的動手能力，以便在以后的工作能獨立完成一些設計項目。附錄#INCLUDE <REG2051.H>#DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT

15、0;   P3_5                  /超聲波發(fā)送#DEFINE CSBINT    P3_7                  /超聲波接收#DEFINE CSBC=0.034#DEFINE

16、BG  P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/顯示標識UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09段碼UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL;       VOID CSBCJ();VOID DELAY(J);    &#

17、160;                         /延時函數(shù)VOID SCANLED();                      

18、;        /顯示函數(shù)VOID TIMETOBUFFER();                  /顯示轉換函數(shù)VOID KEYSCAN();VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN()     

19、60;                        /主函數(shù)     EA=1;                    

20、0;           /開中斷      TMOD=0X11;                   /設定時器0為計數(shù)，設定時器1定時     ET0=1;     

21、                         /定時器0中斷允許      ET1=1;                   

22、           /定時器1中斷允許      TH0=0X00;     TL0=0X00;     TH1=0X9E;     TL1=0X57;     CSBDS=0;     CSBINT=1;     C

23、SBOUT=1;     CL=0;     PTO=0XFF;     JPJS=0;     SJ1=45;     SJ2=200;     SJ3=400;     K4CL();     TR1=1;      

24、;                       WHILE(1)                  KEYSCAN();         &

25、#160; IF(JPJS<1)                      CSBCJ();           IF(S>SJ3)              

26、;        BUFFER2=0X76;                 BUFFER1=0X76;                 BUFFER0=0X76;      &#

27、160;                     ELSE IF(S<SJ1)                      BUFFER2=0X40;    

28、0;            BUFFER1=0X40;                 BUFFER0=0X40;                    

29、60; ELSE TIMETOBUFFER();                            ELSE TIMETOBUFFER();            /將值轉換成LED段碼    &

30、#160;      OFFMSD();             SCANLED();                  /顯示函數(shù)           IF(

31、S<SJ2)           BG=0;           BG=1;     VOID SCANLED()                    

32、   /顯示功能模塊    DIGIT=0X04;    FOR( I=0; I<3; I+)        /3位數(shù)顯示    P3=DIGIT&OPTO;        /依次顯示各位數(shù)        P1=BUFFER;   &#

33、160;    /顯示數(shù)據(jù)送P1口        DELAY(20);              /延時處理        P1=0XFF;             /P1口置高電

34、平（關閉）        IF(P3&0X10)=0)      /判斷3位是否顯示完           KEY=0;        DIGIT>>=1;           &

35、#160; /循環(huán)右移1位    VOID TIMETOBUFFER()                /轉換段碼功能模塊     XM0=S/100;           XM1=(S-100*XM0)/10;     XM2=S-100*XM0-

36、10*XM1;     BUFFER2=CONVERTXM2;           BUFFER1=CONVERTXM1;     BUFFER0=CONVERTXM0;VOID DELAY(I)                                  WHILE(-I);VOID TIMER1INT (VOID)  INTERRUPT 3  USING 2