手持測距儀設(shè)計總結(jié)報告

1、宇波城烈業(yè)技術(shù)學(xué)寛產(chǎn)品設(shè)計報告（2011 -2012學(xué)年第二學(xué)期）課程名稱學(xué)院專業(yè)班級學(xué)號學(xué)生姓名 同組者姓名 任課教師完成日期4目錄引- 3任務(wù)分- 3方案初步設(shè)- 3產(chǎn)品詳細設(shè)計硬-4件設(shè)計11- 7調(diào)試和測試- 9總結(jié)- 10參考文獻軟件設(shè)計（2）超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰引言隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的測距方法在很多場合已無法滿足人 們的需求，例如在井深，液位，管道長度等場合，傳統(tǒng)的測距方 法根本無法完成測量的任務(wù)。還有在很多要求實時測距的情況 下，傳統(tǒng)的測距方法也很難完成測量的任務(wù)。于是，一種新的測 距方法誕生了一一非接觸測距。超聲波可用于非接觸測量， 具有 不受光、

2、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無 關(guān)。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱 液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機械內(nèi)部損傷 的檢測等。在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交 通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物 科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。目前常用的測距方式主要有雷達測距、紅外測距、激光測距 和超聲測距4種。與其他測距方法相比較， 超聲測距具有下面的 優(yōu)點4:（1）超聲波對色

3、彩和光照度不敏感， 可用于識別透明及漫反 射性差的物體（如玻璃、拋光體）。塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中。(3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、技術(shù)難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。因此，超聲波作為一種測距識別手段，已越來越引起人們的重視1、任務(wù)分析設(shè)計并制作一個可以測量距離并產(chǎn)生報警信號的手持測距儀，電路系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示圖1手持測距儀要求結(jié)構(gòu)圖2、方案初步設(shè)計任務(wù)要求1、基本要求可以測量距離為0.4m0.8m的障礙物，測量精度為5cm?？赏ㄟ^LCD顯示可測范圍內(nèi)障礙物實際距離， 并相應(yīng)產(chǎn)生示意圖報警信息當(dāng)障礙物距離小于0.2m時，聲音報警長鳴，LCD顯示“0.

4、2m”。2、發(fā)揮部分可以測量距離為0.2m1.0m的障礙物，測量精度為2cm按照手持測距儀設(shè)計任務(wù)與要求， 本項目的主要構(gòu)想是：超 聲波發(fā)射電路每隔一段時間發(fā)出一段超聲波信號，然后超聲波接受電路檢測是否有該超聲波信號被反射回來；如果有，則計算信號被發(fā)射到被接受的時間間隔，同時根據(jù)聲波在空氣中340m/s的傳輸速度及一半該時間間隔計算出障礙物與手持測距儀的距 離，通過現(xiàn)實電路來現(xiàn)實結(jié)果，并根據(jù)測距離判斷是否進行報警。 此外，有溫度測量電路測的環(huán)境溫度并進行顯示，當(dāng)溫度超過鍵盤設(shè)置范圍則現(xiàn)實報警信息。 系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成： 超聲波發(fā) 射電路，超聲波接受電路，溫度測量電路，單片機最小系統(tǒng)，人 機借

5、口電路，系統(tǒng)構(gòu)想總體方案框圖如圖2。圖2系統(tǒng)構(gòu)想總體方案框圖3、產(chǎn)品詳細設(shè)計3.1、硬件設(shè)計3.1.1超聲波發(fā)射電路號，再經(jīng)六反向器CD4069形成推挽激勵來驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感 器，超聲波發(fā)射強度提升了一倍。同時，發(fā)射電路由單片機的發(fā) 射控制信號引腳（NE555_RESET來控制方波信號是否產(chǎn)生。如 圖3所示圖3超聲波發(fā)射電路3.1.2超聲波檢測接收電路超聲波傳感器接收部分 電路采用集成電路CX20106A這是一款紅外線檢波接收的專用40KHz占空比為50%勺方波信采用555定時器電路產(chǎn)生頻率為芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距超聲波頻率40kHz較

6、為接近，可以利用它 作為超聲波檢測電路。實驗證明，其具有很高的靈敏度和較強的 抗干擾能力。適當(dāng)改變C1的大小，可改變接收電路的靈敏度和 抗干擾能力。R1和C1控制CX20106A內(nèi)部的放大增益，R2控 制帶通濾波器的中心頻率。一般取R1=4.7Q,8=VF。當(dāng)超 聲波接收頭收到超聲波時產(chǎn)生一個下降沿，接到單片機的外部中 斷INTO上。當(dāng)超聲波接收頭接收到40kHz方波信號時，將會將 此信號通過CX20106A驅(qū)動放大送入單片機的外部中斷0口。單片機在得到外部中斷0的中斷請求后，會轉(zhuǎn)入外部中斷0的中 斷服務(wù)程序進行處理，在移動機器人的避障工作中，可以在中斷服務(wù)程序設(shè)定需要單片機處理的最短距離，比

7、如0.5m。對于距離大于0.5 m的障礙物， 可以不做處理直接跳出中斷服務(wù)程序；CX20106A的第5腳的電阻決定接收的中心頻率，200k的電阻決定了接收的中心頻率為40KHN當(dāng)CX20106A接收到40KHz的信 號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入。CX20106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。其中的電平自動控制電路ABLC可以保證在輸入弱信號時前置放大器有較高增益，在輸入強信號時前置放 大器不會過載，可以保證在一定遙控距離 （約10m）內(nèi)工作可靠。 其內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0由其5腳外接電阻

8、調(diào)節(jié)，范圍可從30KHz- 60KHNCX20106的工作過程大致如下：其中的前置放大器將外接紅外光 敏二極管或三極管產(chǎn)生的脈沖電壓進行放大，電壓增益約77-79dB。然后將信號送限幅放大器，使其變?yōu)榫匦蚊}沖，再由濾波 器進行頻率選擇，濾除干擾信號，由檢波器濾掉載頻檢出指令信 號，再經(jīng)整形后，由7腳輸出指令信號。實際上，CX20106的功 能用一句話概括，就是當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符 的紅外光信號時，其輸出端7腳就輸出低電平。CX20106-的主要參數(shù)如下：電源電壓典型值為5V,最大17V。電源電流1.1-2.5mA（典型值為1.8mA）。輸出低電平0.2V。電壓增益77-7

9、9dBo輸入阻抗27KQO濾波器中心頻率30KHz-60KHz。允許功耗0.8W。1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kQ。2腳：該腳與地之間連接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R1或減小C1,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C1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仁4.7Q,C1=g Fo3腳：該腳與地之間連接檢波電容，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大，易造成誤動作，推薦參數(shù)

10、為3.3卩f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率fO,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fO38kHz。6腳：該腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pF,如果該電容取得此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kQ,沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.55V。3.1.3主控制電路核心控制元件采用單一的AT89C51單片機來完成，顯示采用”4 苗T. “T: r太大， 會使 探測距離變 短。7腳： 遙控 命令輸出 端，它是集 電極開路輸 出方式，

11、因ILFTm豈窪豎fc雲(yún) W曲SMC1602A液晶模塊，溫度補償傳感器采用DS18B20.3.1.4電源電路9V直流電壓經(jīng)過濾波，再經(jīng)三極管7805穩(wěn)壓到5V直流電壓。3.2、軟件設(shè)計軟件部分的設(shè)計根據(jù)手持測距儀的具體功能實現(xiàn)可以分為四個步驟，分別是超聲波信號發(fā)送、超聲波信號接收、距離數(shù)據(jù) 處理、液晶距離顯示。（1）超聲波信號發(fā)送：通過定時器每隔20ms發(fā)送一次40KHZ的超聲波信號，每次發(fā)送4個周期（100us）；由于系統(tǒng)通過555定時器來產(chǎn)生超聲波啟動信號， 所以在程序中需要完成的工作為每隔20ms給555定時器一個啟動信號，啟動時間100us。同時，由于超聲波信號接收通過外部中斷模式通知

12、單片機，所以在該定時器中還需 要啟動外部 中斷及開始 計時。（2）超聲波信號接收：超聲波信號的接收通過外部中斷模式 通知單片機，當(dāng)進入相應(yīng)中斷后，在程序中首先需要停止計時， 將計時數(shù)據(jù)送入距離數(shù)據(jù)處理模塊進行處理；同時為避免不同距離障礙物反射回來的超聲波信號的干擾，在中斷程序中還需要關(guān) 閉該外部中斷，以最近障礙物距離為準。聲波在空氣中傳輸速度 約為340m/s，YR1在20ms時間內(nèi)可以傳輸6.8m，因此該超聲波測距 可以最遠到3.4m，一般手持測距最遠為1.5m，滿足系統(tǒng)要求。 此外，為避免多次發(fā)射信號的干擾， 超聲波發(fā)送信號的能量最好 調(diào)節(jié)到最遠衰減在5m以內(nèi)。（3）距離數(shù)據(jù)處理：在距離數(shù)

13、據(jù)處理模塊中，對共計10次 單片機計時數(shù)據(jù)剔除最大值與最小值后進行數(shù)據(jù)平均值法處理。2、軟件流程圖根據(jù)手持測距儀具體功能的實現(xiàn)步驟及其他輔助功能， 在程 序設(shè)計中采用模塊化處理， 將總體功能分解一個個功能模塊， 每 個功能模塊相互獨立，每個模塊都能完成一個明確的任務(wù)， 實現(xiàn) 某個具體的功能。本設(shè)計按任務(wù)模塊劃分的程序主要有主程序、讀溫子程序、顯示子程序、定時器中斷子 程序、外部中斷子程序等。3、主程序設(shè)計單片機系統(tǒng)上電后，進入初始化程序，完成單片機內(nèi)各模塊 的設(shè)置和液晶實現(xiàn)初始化，然后進入主程序循環(huán)。在主程序循環(huán)中，先根據(jù)按鍵情況對溫度情況進行處理，然 后判斷是否有回波，若完畢則進行外部中斷子

14、程序。 主程序的流 程圖如圖3.11所示。其運行編寫的程序附后。定時器中斷子程序：在定時器中斷子程序中， 需要完成2個定時器初值，開啟超聲波信號發(fā)送一段時間并關(guān)閉，打開外部中斷等。外部中斷子程序: 在外部中斷子程序中，需要完成關(guān)閉外部中斷子程序，判斷是否讀取數(shù)據(jù)及是否清數(shù)組地址等。4、調(diào)試和測試在手持測距儀的PCB布局中要注意以下幾點：1、超聲波發(fā)射傳感器與接收傳感器安裝位置要位于PCB邊沿同一水平面上；2、 超聲波接收模擬電路相關(guān)器件盡量靠近， 減少連線長度; 電路制作好后，手持測距儀主要需要調(diào)試超聲波發(fā)射接收波形， 用示波器查看超聲波接收信號與發(fā)送信號間時間差是否隨障礙 物的距離變化而變化

15、，并且具有一定3、整靠近，流、穩(wěn)壓電路相關(guān)器件盡量形成局部小模塊。的線性關(guān)系。 首先查看超聲 波發(fā)射電路的555芯片的4腳有沒有產(chǎn)生40KHZ的方波信號，然 后檢查超聲波接收電路的CX20106的7腳波形是否正確，然后再 看超聲波頭的接收和發(fā)送的波形是否正確。實際距離（cm）矯正后實測顯示距離（cm）誤差（cm）相對誤差（%2022210.00%3034413.33%4044410.00%5055510.00%606558.33%707668.57%808667.50%909666.66%10017077.00%11011776.36%誤差分析：由于環(huán)境的影響，還有電路本身的干擾，以及人眼測量

16、的不準確，傳感器和其他元器件本身以及程序的不同得到的實際值不是理想線性。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速 度；超聲波反射回波很難精確捕捉， 致使超聲波在空氣中傳播的 時間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影 響。電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會造成測量誤差。 超聲波波速入射角影響：超聲波波束入射角也會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生 影響， 由于系統(tǒng)是用來測量點和面的距離，貝y被測物表面， 超聲 波發(fā)射探頭和接收探頭三者之間存在一個幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度，如果這個角度不是0度，系統(tǒng)測量到的距 離是被測物與接收探頭之間的距離而不是和測量參考面之間的 距離，這就會造成測量誤

17、差。5、總結(jié)通過這一次的實訓(xùn)，讓我受益匪淺。我的電路板由于一開始時轉(zhuǎn) 印腐蝕時沒有及時把一些斷掉的連接線用油性筆補好就匆匆腐 蝕導(dǎo)致在之后的焊接出現(xiàn)了大面積的斷路，讓我在檢查電路板是否連接完好時花費了很多時間。由于我的焊接技術(shù)不是很熟練， 以至于在檢查電路時補焊也花了不少時間，電路板的先天不足讓我在接下來的調(diào)試和測試困難重重，這也算是一次心急的教訓(xùn) 了。其次，本次的電路設(shè)計讓我對PCB電路的設(shè)計有了深度的了 解。不僅元器件的標號要按照特定的規(guī)則放好位置，顯得整齊明顯，而且元器件的擺放不再是隨心所欲， 要根據(jù)實際的電路功能， 最好是根據(jù)超聲波發(fā)射電路、 超聲波檢測接收電路、主控制電路，電源電路的分類一部分一部分的擺放，以及實際的電路測量中能起到方便調(diào)試和測試為目地來擺放的。出現(xiàn)的飛線也有了一些規(guī)定：不能過長，考慮到焊接的方便最好是一條短直線，還有不能 出現(xiàn)致命的問題，比如我一開始由于標號不是很清晰明了，導(dǎo)致我腐蝕好的一塊新電路板出了一個致命的問題，兩個超聲波頭沒有放在同一個方向，把一個蜂鳴器當(dāng)成超聲波頭來用了。結(jié)果可想而知，我只好重新布線、轉(zhuǎn)印、腐蝕，其實只要再細心一些就 不用花費那么多的時間了，我想這次慘痛的失敗教訓(xùn)會讓我在我 今后的電路設(shè)計中更加細心， 我想這也是一種好處吧， 從失敗中 吸取教訓(xùn)，然后才能在接下來的工作