超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)目的 2二、內(nèi)容及要求 22.1、 設(shè)計(jì)內(nèi)容 22.2、 設(shè)計(jì)要求 2三、超聲波傳感器的工作原理 2四、系統(tǒng)框圖 3五、單元電路設(shè)計(jì)原理 35.1、 51系列單片機(jī)的功能特 45.2、 超聲波發(fā)射電路 45.3、 超聲波檢測(cè)接收電路 5六、完整的電路圖七、程序流程圖 6八、參考文獻(xiàn) 7九、設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法 7十、總結(jié) 711 / 13一、課程設(shè)計(jì)目的通過(guò)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、內(nèi)容及要求超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容采用40KHz的超聲波發(fā)射和

2、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(guò)反射測(cè)量距離。功能：1） LE躁碼管顯示測(cè)量距離，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位（單位：cmh2 ）測(cè)量范圍：30cnn- 200cmi3）誤差 0.5cm。4 ）其它。2.2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。三、超聲波傳感器的工作原理由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲 波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn) 單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)

3、到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合 各方面因素，本文采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED數(shù) 字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器。超聲波測(cè)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(shí)間來(lái)計(jì) 算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收 的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。理論計(jì)算如圖1所示為反射時(shí)間法，是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的 時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖所示，對(duì)于距離

4、較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空 氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間T利用公式S=C*（T/2）其中，S為被測(cè)距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（T=T1+T2）,這樣可以求出距離：S = C(T1 -T2)/2ThT2-圖1 測(cè)距的原理超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)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

5、時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1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。四、系統(tǒng)框圖單片機(jī)發(fā)出40kHz的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)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(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片 機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t ,再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LED顯 示。圖2超聲波測(cè)距儀原理框圖五、單元電路設(shè)計(jì)原理硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、 超聲波發(fā)射電路和超聲波 檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHzt精度的 晶振，以獲得較

6、穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 P1.0端口輸出超聲波 換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用74LS04驅(qū)動(dòng)。5.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)51系列單片機(jī)中典型芯片（AT89C51）采用40引腳雙列直插封裝（DIP）形式， 內(nèi)部由CPU 4KB的ROM 256B的RAM 2個(gè)16B的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1, 4個(gè)8 B的I/O端口： P0, P1, P2, P3, 一個(gè)全雙功用行通信口等組成。特別是該系列 單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（EPROM）使其在實(shí)際中有著十 分

7、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(jī)引腳與封裝如圖3所示。ATS9C5I圖351系列單片機(jī)封裝圖5l系列單片機(jī)提供以下功能：4KB存儲(chǔ)器；256BRAM32條I/O線；2個(gè)16B 定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級(jí)中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPUff止工作,而讓RAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器、用行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù) 工作。掉電方式：保存RAM勺內(nèi)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(fù)位。5l系列單片機(jī)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(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 5.2超聲波

8、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(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反 向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器 的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高 超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shí)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(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片

9、和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的 固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波， 這時(shí)它 就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)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)，這時(shí)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(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。5.3超聲波檢測(cè)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。 CX4010恥一款應(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

10、載波 頻率38 KHz與測(cè)距的超聲波頻率40 KHz比較接近，而且CX40106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30 60 KHz故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。CX40106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(guò)程如下：接收的回波 信號(hào)先經(jīng)過(guò)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CX401068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AT89C51的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷

11、。若頻率有一些誤差， 可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R2,將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40KHz就可達(dá)到 理想的效果。CX40106A J1圖5超聲波檢測(cè)接收電路六、完整的電路圖（附于設(shè)計(jì)報(bào)告最后）七、程序流程圖軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 6所示。主程序完成初始 化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射, 外部中斷服務(wù)子程序主 要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。圖6軟件流程圖外部中斷服務(wù)子程序主程序首先是對(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并給顯示端口 P0和P1清00然后調(diào)用

12、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)射器直接傳送到接收器引起的直 射波觸發(fā)，需要延時(shí)約 0.1 ms （這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離 的原因）后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是 12 MHz的 晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1ps,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將 計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按公式計(jì)算，即可得被測(cè)物體與 測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20c時(shí)的聲速為344 m/s則有：d =(c?t)/2 =172T0/1000 0cm其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCDK方式送往LED顯示約0.5s

13、 ,然后 再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程 序米用C語(yǔ)言編寫。八、參考文獻(xiàn)1梁森.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2010.12華兵.MCS-51單片機(jī)原理應(yīng)用.武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社.2002.53胡萍.超聲波測(cè)距儀的研制.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化.2003.104時(shí)德剛.劉嘩.超聲波測(cè)距的研究.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制.2002.105李華.MCU-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1993.66蘇長(zhǎng)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(cè)原理和方法.北京：中國(guó)科技大學(xué)出版社.1993.10九

14、、設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的 回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr ,然后求出距離s = ct/2，式中的c 為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)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(duì)聲波脈沖的直 接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差， 可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射 /接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲 波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。十、總結(jié)以往每做一次課程設(shè)計(jì)，感覺(jué)自己的收獲總會(huì)不少，這次也不例外經(jīng)過(guò)為期 兩個(gè)星期的

15、課程設(shè)計(jì)，我將傳感器及檢測(cè)技術(shù)中的理論與實(shí)踐相結(jié)合起來(lái)， 對(duì)超 聲波傳感器的原理及功能也有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)理解，還將單片機(jī)的原理結(jié)合起來(lái) 了。做課程設(shè)計(jì)是為了讓我們對(duì)平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識(shí)并加以綜合提高，學(xué)會(huì)將知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的方法，提高分析和解決問(wèn)題的能力。還有一點(diǎn)讓我很感動(dòng)，遇 到問(wèn)題時(shí)，同學(xué)不厭其煩的幫忙解決問(wèn)題舉動(dòng)， 意識(shí)了一個(gè)團(tuán)體力量的偉大。在 設(shè)計(jì)中，我們的設(shè)計(jì)思維，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得到了很大的提高， 也對(duì) 電子設(shè)計(jì)有了很大的興趣?，F(xiàn)在的社會(huì)是科技的社會(huì)，在以后的學(xué)習(xí)生活中，我 們會(huì)更加努力學(xué)習(xí)培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的

16、能力，從而更加適應(yīng)社會(huì)。最后希望通過(guò)以后的學(xué)習(xí)，不斷提升自身各方面的能力，如對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌 握程度，動(dòng)手實(shí)踐能力等。經(jīng)過(guò)此次的課程設(shè)計(jì)，我們學(xué)會(huì)了合作。我們要形成 自己的設(shè)計(jì)思想，以便在今后的專業(yè)課形成自己的風(fēng)格。 同時(shí)在多多鍛煉自己的 動(dòng)手能力，以便在以后的工作能獨(dú)立完成一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目。/延時(shí)函數(shù)/顯示函數(shù)/顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)/主函數(shù)/開(kāi)中斷/設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器1定時(shí)/定時(shí)器0中斷允許/定時(shí)器1中斷允許附錄#INCLUDE <REG2051.H>#DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT P3_5/超聲波發(fā)送#DEFINE CSBINT P3_7/超聲波接收#DE

17、FINE CSBC=0.034#DEFINE BG P3_3UNSIGNED CHARCSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/ 顯示標(biāo)識(shí)UNSIGNED CHARCONVERT10=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);VOID SCANLED();VOID TIMETOBUFFER();VOID KEYSCAN(

18、);VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN()EA=1;TMOD=0X11;ET0=1;ET1=1;TH0=0X00;TL0=0X00;TH1=0X9E;TL1=0X57;CSBDS=0;CSBINT=1;CSBOUT=1;CL=0;o PTO=0XFF;JPJS=0;SJ1=45;SJ2=200;SJ3=400;K4CL();TR1=1;WHILE(1)KEYSCAN();IF(JPJS<1) CSBCJ();IF(S>SJ3) BUFFER2=0X76;BUFFER1=0X76;BUFFER0=0X76;ELSE IF(S<SJ1) BUFFER2=0X40;BUFFER1=0X40;BUFFER0=0X40;ELSE TIMETOBUFFER();ELSE TIMETOBUFFER(); /將值轉(zhuǎn)