基于单片机的超声波测距的设计与实现.doc

毕业设计 论文 毕业设计 论文 题 目 基于单片机的超声波测距的设计与实现 系 别 信息与控制学院 专 业 通信工程 学生姓名 指导教师 2011 年 6 月 15 日 摘 要 本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统 该系统是以空气中超声 波的传播速度为确定条件 利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离 本系 统安装使用方便 价格便宜 并可与遥测遥控系统配合使用 有较广阔的应用前景 论文概述了超声波检测的发展及基本原理 介绍超声传感器的工作机理及特性 对于影响测距系统的一些主要参数进行了讨论 并且在介绍超声测距系统功能的基础 上 提出了系统的总体构成 针对测距系统发射 接收 检测 显示部分的总体设计 方案进行了论证 进一步介绍了 AT89C52 单片机在系统中的应用 分析了系统各部分 的硬件及软件实现 最后给出了室内实验结果及误差分析 本设计表明 各主要波形及技术指标均达到设计要求 该系统对室内有限范围的 距离测量具有较高的精度和可靠性 最后文中分析了误差产生的原因及如何对系统进 行完善提出了一些改进建议 关键字 超声测距 传感器 单片机 Abstract The thesis introduces a kind of single pulse reflection ultrasonic distance meter system in detail based on monolithic controller The system could measure certain distance with the time between transmit wave and reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed It is easy to be installed and applied low in price and capable of being used in combination with telemetry metering telemetry control system and has extensive application prospects This paper summarizes the development and foundational principle of ultrasonic detection Then it presents the working mechanization and characters of ultrasonic sensor At the same time it discusses a number of main technical parameters Moreover it proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic distance meter And then the transmission reception detection display scheme of this distance meter system is brought out Specially after the application of AT89C52 monolithic controller it analyzes the hardware and software realization of each part in this system At last the result and error analysis of the experiments are presented It is proved by experiments that the design of the system is provided with high accuracy and reliability In the end the further measures of modification are presented Keywords Ultrasonic sensor Ultrasonic distance measurement system MCU 目 录 绪 论 1 1 传感器及单片机技术的介绍 5 1 1 传感器的介绍及其技术的发展 5 1 1 1 传感器的介绍 5 1 1 2 传感器技术的发展 5 1 2 单片机技术 8 2 硬件设计 10 2 1 系统硬件的总体设计 10 2 2 传感器部分 10 2 2 1 超声波传感器 10 2 2 2 超声波传感器及其测距原理 13 2 2 3 传感器位置 14 2 2 4 超声波发射电路 14 2 2 5 超声波接收电路 15 2 3 单片机部分 17 2 3 1 单片机实现测距原理 17 2 3 2 单片机最小系统 18 2 3 3 数码管的显示电路 22 2 3 4 电源电路 23 3 软件设计 26 3 1 KEIL UVISION2 简介 26 3 2 系统程序设计 27 3 2 1 主程序 28 3 2 2 超声波发生子程序和超声波接收中断程序流程 29 3 2 3 超声波测距器的算法设计 30 4 系统调试 31 4 1 硬件调试 31 4 2 软件调试 32 4 3 整体调试 32 4 4 误差分析 33 结 论 34 致 谢 35 参考文献 36 附录 A 英文原文 37 附录 B 中文翻译 44 附录 C 器件清单 49 附录 D 原理图和 PCB 图 50 附录 E 实物图 52 附录 F 程序源代码 53 绪 论 一 超声波测距的背景及意义 超声波的研究背景有两个方面 如下 1 国际方面 自 19 世纪末到 20 世纪初 在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后 人们 解决了利用电子学技术产生超声波的办法 从此迅速揭开了发展与推广超声技术的历 史篇章 1922 年 德国出现了首例超声波治疗的发明专利 1939 年发表了有关超声波 治疗取得临床效果的文献报道 40 年代末期超声治疗在欧美兴起 1949 年召开的第一 次国际医学超声波学术会议上 有了超声治疗方面的论文交流 为超声治疗学的发展 奠定了基础 1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表 超声治疗进 入了实用成熟阶段 2 国内方面 国内在超声治疗领域起步稍晚 于 20 世纪 50 年代初才只有少数医院开展超声治 疗工作 从 1950 年首先在北京开始用 800KHz 频率的超声治疗机治疗多种疾病 至 50 年代开始逐步推广 并有了国产仪器 公开的文献报道始见于 1957 年 到了 70 年代 各型国产超声治疗仪 超声疗法普及到全国各大型医院 40 多年来 全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验 特别 是 20 世纪 80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科 是结石症治疗史上的 重大突破 如今已在国际范围内推广应用 高强度聚焦超声无创外科 已使超声治疗 在当代医疗技术中占据重要位置 而在 21 世纪 HIFU 超声聚焦外科已被誉为是 21 世纪治疗肿瘤的最新技术 1 二 超声波测距的发展趋势 近年来 随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要 特别是工业机器人 的自动测距 导航系统和视觉识别系统的需要 出现了许多识别方法和原理 根据其 信息载体的不同可归结为光学方法和超声波方法 但是光学方法在某些领域有其局限 性 与其他方法相比 如电磁的或光学的方法 它不受光线 被测对象颜色电灯的影 响 对被测物处于黑暗 有灰尘 烟雾 电磁干扰 有毒等恶劣环境下有一定的适应 能力 因此在液位测量 机械手控制 车辆自动导航 物体识别等方面有着广泛的应 用 特别是应用于空气测距 由于空气中波速传播缓慢 起回波信号中包含的沿传播 方向上的结构信息很容易被检测出来 具有很高的分辨力 超声波测距是一种非接触 的检测方式 超声测距技术有许多优点 它不仅能连续和定点测距 而且方法简单 成本很低 因为超声测距技术不需要有移动的部件 所以安装和维护也很方便 采用 单片机控制的超声测距系统较之传统的分立元件构成的超声测距系统有着无法比拟的 优点 它的开发周期短 调试方便 成本低 灵活性强 特别是能够方便地进行误差 补偿 从而大大提高了系统的测量精度 随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中 给我 们的生活带来了诸多方便 这一设计就是本着这个宗旨出发 利用超声波的特性来为我 们服务 人们能听到声音是由于物体振动产生的 它的频率在 20Hz 20KHz 范围内 超过 20KHz 称为超声波 低于 20Hz 的称为次声波 常用的超声波频率为几十 KHZ 至几十 MHZ 由于超声波指向性强 因而常于距离的测量 利用超声波检测往往比较迅速 方便 计算简单 易于做到实时控制 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求 因此在移动机器人 汽车安全 海洋测量等上得到了广泛的应用 本设计提供一种数 码管显示测距装置 该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器 采用 超声波传感器分时工作于发射和接收 利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接 收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离 距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数 所以 测距就成为数据采集 中要解决的一个问题 尽管测距有多种方式 比如 激光测距 微波测距 红外线测 距和超声波测距等 但是 超声波测距不失为一种简单可行的方法 虽然超声波测距 电路多种多样 甚至已有专用超声波测距集成电路 但是 有的电路复杂 技术难度 大 有的调试困难 有的元件不易购买 我们知道声波在空气中的速度为 340 米 秒 超声波发射传感器发射超声波束遇到前方物体后返回 由接收传感器接收 利用时间 差可以计算出距离 超声波指向性强 能量消耗缓慢 在介质中传播的距离较远 利 用超声波的这些特性进行距离检测比较迅速 方便 制作容易价格低廉且测量精度也 可达到工业要求 本文介绍的电路 采用单片机做控制成本低廉 性能可靠 所用元件易购 并且 利用测距原理 结合单片机的数据处理 使测量精度提高 电路实现容易 无须调试 工作稳定可靠 三 本课题研究的目的和意义 随着科学技术的快速发展 超声波将在测距仪中的应用越来越广 但就目前技术 水平来说 人们可以具体利用的测距技术还十分有限 因此 这是一个正在蓬勃发展 而又有无限前景的技术及产业领域 展望未来 超声波测距仪作为一种新型的非常重 要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间 它将朝着更加高定位高精度的方向发 展 以满足日益发展的社会需求 如声纳的发展趋势基本为 研制具有更高定位精度 的被动测距声纳 以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要 继续发展采用低频线谱检 测的潜艇拖曳线列阵声纳 实现超远程的被动探测和识别 研制更适合于浅海工作的 潜艇声纳 特别是解决浅海水中目标识别问题 大力降低潜艇自噪声 改善潜艇声纳 的工作环境 无庸置疑 未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨 与其他的测距 仪集成和融合 形成多测距仪 随着测距仪的技术进步 测距仪将从具有单纯判断功 能发展到具有学习功能 最终发展到具有创造力 在新的世纪里 面貌一新的测距仪 将发挥更大的作用 随着科技的发展 人们生活水平的提高 城市发展建设加快 城市给排水系统也 有较大发展 其状况不断改善 但是 由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素 城市给排水系统 特别是排水系统往往落后于城市建设 因此 经常出现开挖已经建 设好的建筑设施来改造排水系统的现象 城市污水给人们带来了困扰 因此箱涵的排 污疏通对大城市给排水系统污水处理 人们生活舒适显得非常重要 而设计研制箱涵 排水疏通移动机器人的自动控制系统 保证机器人在箱涵中自由排污疏通 是箱涵排 污疏通机器人的设计研制的核心部分 控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制 因此 设计好的超声波测距仪就显得非常重要了 这就是我设计超声波测距仪的意义 2 四 本文的研究内容及组织结构 本文共分为四部分 分别为传感器及单片机技术 硬件部分 软件设计 系统调 试 第一部分总体设计主要介绍了系统芯片的选择方案 设计思路 超声波传感器及 其测距的原理 单片机部分的原理 第二部分硬件设计主要讲述了系统电路的组成 传感器部分的硬件功能介绍 单 片机部分包括其超声波发射接收等的电路方面的介绍 第三部分软件设计主要简述了单片机应用开发软件 KEIL 的功能及其用法 实现系 统功能的程序设计 第四部分系统调试主要包括硬件调试 软件调试 误差分析 1 传感器及单片机技术的介绍 1 1 传感器的介绍及其技术的发展 1 1 1 传感器的介绍 传感器是一种能将物理量 化学量 生物量等转换成电信号的器件 输出信号有 不同形式 如电压 电流 频率 脉冲等 能满足信息传输 处理 记录 显示 控 制要求 是自动检测系统和自动控制系统中不可缺少的元件 如果把计算机比作大脑 那么传感器则相当于五官 传感器能正确感受被测量并转换成相应输出量 对系统的 质量起决定性作用 自动化程度越高 系统对传感器要求越高 在今天的信息时代里 信息产业包括信息采集 传输 处理三部分 即传感技术 通信技术 计算机技术 现代的计算机技术和通信技术由于超大规模集成电路的飞速发展 而已经充分发达后 不仅对传感器的精度 可靠性 响应速度 获取的信息量要求越来越高 还要求其成 本低廉且使用方便 显然传统传感器因功能 特性 体积 成本等已难以满足而逐渐 被淘汰 世界许多发达国家都在加快对传感器新技术的研究与开发 并且都已取得极 大的突破 参考前人超声波测距系统的制作方法并结合自己的具体情况 同时遵循单片机应 用系统的设计开发原则 1 必须满足测控系统的应用要求 2 体积小 重量轻 3 性能价格比高 4 具有抗干扰性 5 可靠性高 易于操作 根据上述要求和为了节约成本 采用现在流行的单片机 AT89C52 作为主控单元 采用 LM386 音频功率放大器来提高超声波发射强度 由于红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距的超声波频率相近 故选择红外线检波接收的专用芯片 CX20106A 作为 超声波的检测接收电路 1 1 2 传感器技术的发展 如今传感器新技术的发展 主要有以下几个方面 1 发现并利用新现象 利用物理现象 化学反应 生物效应作为传感器原理 所以研究发现新现象与新 效应是传感器技术发展的重要工作 是研究开发新型传感器的基础 日本夏普公司利 用超导技术研制成功高温超导磁性传感器 是传感器技术的重大突破 其灵敏度高 仅次于超导量子干涉器件 它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单 可用于磁成像 技术 有广泛推广价值 利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时 会引起电极电位的变化 利用这一现 象可制出免疫传感器 用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原 作检查 如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎 起到快速 准确作用 美国加 州大学已研制出这类传感器 3 2 利用新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础 由于材料科学进步 人们可制造出各种新 型传感器 例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器 光导纤维能制成压力 流量 温度 位移等多种传感器 用陶瓷制成压力传感器 高分子聚合物能随周围环境的相 对湿度大小成比例地吸附和释放水分子 高分子介电常数小 水分子能提高聚合物的 介电常数 将高分子电介质做成电容器 测定电容容量的变化 即可得出相对湿度 利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器 其有以下特点 1 测湿范围宽 2 温度范围宽 可达 400 1500 3 响应速度快 小于 1S 4 尺寸小 可用于小空间测湿 5 温度系数小 陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器 采用先进的陶瓷技术 厚膜电子技术 其技术性能稳定 年漂移量小于 0 1 F S 温漂小于 0 15 10K 抗 过载强 可达量程的数百倍 测量范围可从 0 到 60mpa 德国 E H 公司和美国 Kavlio 公司产品处于领先地位 光导纤维的应用是传感材料的重大突破 其最早用于光通信技术 在光通信利用 中发现当温度 压力 电场 磁场等环境条件变化时 引起光纤传输的光波强度 相 位 频率 偏振态等变化 测量光波量的变化 就可知道导致这些光波量变化的温度 压力 电场 磁场等物理量的大小 利用这些原理可研制出光导纤维传感器 光纤传 感器与传统传感器相比有许多特点 灵敏度高 结构简单 体积小 耐腐蚀 电绝缘 性好 光路可弯曲 便于实现遥测等 光纤传感器日本处于先进水平 如 Idec Izumi 公司和 Sunx 公司 光纤传感受器与集成光路技术相结合 加速光纤传感器技术的发展 将集成光路器件代替原有光学元件和无源光器件 使光纤传感器有高的带宽 低的信 号处理电压 可靠性高 成本低 3 微机械加工技术 半导体技术中的加工方法有氧化 光刻 扩散 沉积 平面电子工艺 各向导性 腐蚀及蒸镀 溅射薄膜等 这些都已引进到传感器制造 因而产生了各种新型传感器 如利用半导体技术制造出硅微传感器 利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏 湿敏传 感器 利用溅射薄膜工艺制压力传感器等 日本横河公司利用各向导性腐蚀技术进行高精度三维加工 制成全硅谐振式压力 传感器 核心部分由感压硅膜片和硅膜片上面制作的两个谐振梁结成 两个谐振梁的 频差对应不同的压力 用频率差的方法测压力 可消除环境温度等因素带来的误差 当环境温度变化时 两个谐振梁频率和幅度变化相同 将两个频率差后 其相同变化 量就能够相互抵消 其测量最高精度可达 0 01 FS 美国 Silicon Microstructure Inc SMI 公司开发一系列低价位 线性度在 0 1 到 0 65 范围内的硅微压力传感器 最低满量程为 0 15psi 1KPa 其以硅为材料制成 具有独特的三维结构 轻细微机械加工 和多次蚀刻制成惠斯登电桥于硅膜片上 当 硅片上方受力时 其产生变形 电阻产生压阻效应而失去电桥平衡 输出与压力成比 例的电信号 象这样的硅微传感器是当今传感器发展的前沿技术 其基本特点是敏感 元件体积为微米量级 是传统传感器的几十 几百分之一 在工业控制 航空航天领 域 生物医学等方面有重要的作用 如飞机上利用可减轻飞机重量 减少能源 另一 特点是能敏感微小被测量 可制成血压压力传感器 中国航空总公司北京测控技术研究所 研制的 CYJ 系列溅谢膜压力传感器是采用 离子溅射工艺加工成金属应变计 它克服了非金属式应变计易受温度影响的不足 具 有高稳定性 适用于各种场合 被测介质范围宽 还克服了传统粘贴式带来的精度低 迟滞大 蠕变等缺点 具有精度高 可靠性高 体积小的特点 广泛用于航空 石油 化工 医疗等领域 4 集成传感器 集成传感器的优势是传统传感器无法达到的 它不仅仅是一个简单的传感器 其 将辅助电路中的元件与传感元件同时集成在一块芯片上 使之具有校准 补偿 自诊 断和网络通信的功能 它可降低成本 增加产量 美国 LUCAS NOVASENSOR 公司 开发的这种血压传感器 每星期能生产 1 万只 5 智能化传感器 智能化传感器是一种带微处理器的传感器 是微型计算机和传感器相结合的成果 它兼有检测 判断和信息处理功能 与传统传感器相比有很多特点 1 具有判断和信息处理功能 能对测量值进行修正 误差补偿 因而提高测量 精度 2 可实现多传感器多参数测量 3 有自诊断和自校准功能 提高可靠性 4 测量数据可存取 使用方便 5 有数据通信接口 能与微型计算机直接通信 把传感器 信号调节电路 单片机集成在一芯片上形成超大规模集成化的高级智 能传感器 美国 HONY WELL 公司 ST 3000 型智能传感器 芯片尺寸才有 3 4 2mm 采用半导体工艺 在同一芯片上制成 CPU EPROM 静压 压差 温度 等三种敏感元件 智能化传感器的研究与开发 美国处于领先地位 美国宇航局在开发宇宙飞船时 称这种传感器为灵巧传感器 Smart Sensor 在宇宙飞船上这种传感器是非常重要的 我国在这方面的研究与开发还很落后 主要是因为我国半导体集成电路工艺水平有限 传感器的发展日新月异 特别是 80 年代人类由高度工业化进入信息时代以来 传感器 技术向更新 更高的技术发展 美国 日本等发达国家的传感器技术发展最快 我国 由于基础薄弱 传感器技术与这些发达国家相比有较大的差距 因此 我们应该加大 对传感器技术研究 开发的投入 使我国传感器技术与外国差距缩短 促进我国仪器 仪表工业和自化化技术的发展 4 1 2 单片机技术 1 单片机的定义 单片机即单片机微型计算机 是将计算机主机 CPU 内存和 I O 接口 集成在一 小块硅片上的微型机 2 单片机的历史与现状 第一阶段 1976 1978 年 低性能单片机的探索阶段 以 Intel 公司的 MCS 48 为代表 采用了单片结构 即在一块芯片内含有 8 位 CPU 定时 计数器 并行 I O 口 RAM 和 ROM 等 主要用于工业领域 第二阶段 1978 1982 年 高性能单片机阶段 这一类单片机带有串行 I O 口 8 位数据线 16 位地址线可以寻址的范围达到 64K 字节 控制总线 较丰富的指令系 统等 这类单片机的应用范围较广 并在不断的改进和发展 第三阶段 1982 1990 年 16 位单片机阶段 16 位单片机除 CPU 为 16 位外 片内 RAM 和 ROM 容量进一步增大 实时处理能力更强 体现了微控制器的特征 例 如 Intel 公司的 MCS 96 主振频率为 12M 片内 RAM 为 232 字节 ROM 为 8K 字节 中断处理能力为 8 级 片内带有 10 位 A D 转换器和高速输入 输出部件等 第四阶段 1990 年 今 微控制器的全面发展阶段 各公司的产品在尽量兼容的 同时 向高速 强运算能力 寻址范围大以及小型廉价方面发展 5 3 单片机的应用领域 单片机的应用领域非常广泛 在仪器仪表 机电一体化 智能接口 多机系统和 生活中都有其应用 2 硬件设计 2 1 系统硬件的总体设计 主要由单片机系统及显示电路 超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组 成 采用 AT89C52 来实现对 CX20106A 红外接收芯片和 TCT40 10 系列超声波转换模 块的控制 单片机通过 P1 0 引脚发送脉冲来控制超声波的发送 然后单片机不停的检 测 INT0 引脚 当 INT0 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回 计 数器所计的数据就是超声波所经历的时间 通过软件换算就可以得到传感器与障碍物 之间的距离 得出距离数并送 LED 显示 超声波测距器的系统框图如图 2 1 所示 图 2 1 超声波测距仪系统框图 2 2 传感器部分 2 2 1 超声波传感器 超声波传感器就是利用超声波作为信息传递媒介的传感器 超声波就是超出一般 人的听觉频率范围以上 即频率超出大约 16KHz 以上的声波 人们为研究和应用超声波 已发明设计并制成了许多类型的超声波发生器 机械方 式和电气方式产生超声波发生器 实质上 超声波发生器即是超声波换能器 它将其它 形式的能量转换成超声波的能量 发射换能器来完成 和使超声波的能量转换成其它 易于检测的能量 接收换能器来完成 一般是用电能和超声能量相互转换 电气方式 类型包括 压电型 磁致伸缩型和电动型等 机械式方式有气流旋笛 液哨和加尔统笛 等 各种类型产生的超声波的功率 频率和声波特性都不相同 目前使用较多的是电 气类中的压电型超声波发生器 而压电材料有单晶体的 多晶体复合的 英单晶体 钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体 PZT 4 PZT 5 等 压电型超声波传 感器工作原理 它是借助压电晶体的谐振来工作的 即陶瓷的压电效应 当超声频电压 加到超声换能器的压电陶瓷上时 压电陶瓷组件就在电场作用下产生振动 压电组件 在超声振荡时 仿佛是一个小活塞 其振幅很小 约为 1 10 2 um 但这种振动加 速度很大 于是把电磁振荡能量转化为振动能量 这种巨大的超声波能量沿着特定方 向传播出来 其关键技术是使超声波波束变细 除待测物外不受其他构造物的影响 超声换能器是产生超声波必需的能量转换装置 它把超声电磁振荡的能量转换为声波 6 图 2 2 超声波传感器内部结构 图 2 3 超声波传感器等效电路图 超声波传感器有两块压电晶片和一块共振板 当它的两电极加脉冲信号 触发脉 冲 若其频率等于晶片的固有频率时 压电晶片就会发生共振 并带动共振板振动 从而产生超声波 相反 电极间未加电压 则当共振板接收到回波信号时 将压迫两 压电晶片振动 从而将机械能转换为电信号 此时的传感器就成了超声波接收器 在超声探测电路中 发射端得到输出脉冲为一系列方波 其宽度为发射超声的时 间间隔 被测物距离越大 脉冲宽度越大 输出脉冲个数与被测距离成正比 超声测 距大致有以下方法 取输出脉冲的平均值电压 该电压 其幅值基本固定 与距离 成正比 测量电压即可测得距离 测量输出脉冲的宽度 即发射超声波与接收超声 波的时间间隔 t 故被测距离为 S 1 2vt 本测量电路采用第二种方案 由于超声波的 声速 与温度有关 如果温度变化不大 则可认为声速基本不变 如果测距精度要求很 高 则应通 过温度补偿的方法加以校正 超声波测距适用于高精度的中长距离测量 因为超声波在标准空气中的传播速度为 331 45 米 秒 由单片机负责计时 单片机使用 12 0M 晶振 所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级 超声波传感器用等效电路 如图 2 3 所示 来分析共振频率附近的超声波换能器的 特性 换能器的器械能用 Qm 电能用 Qe 表示 由图 2 3 分析可知 Q 恰好是电路的 串联支路的 Q 值 设换能器在空载 Z1 0 和有载 Z1 R1 时的 Q 值分别为 Qm0公 式 2 1 Qm公式 2 2 则有公式 2 3 公式 2 4 0010 01 0 1 RWCR WL Qm 2 1 1 100110 01 RRWCRR WL Qm 2 2 0000 RWCQe 2 3 1000 RRWCQe 2 4 超声波换能器的工作效率 如公式 2 5 01 1 RR R 2 5 相临两片的压电陶瓷片极化方向相反 芯片的数目成偶数 以使前后金属盖板与 同一极性的电极相连 否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈 会导致结构不必 要的增大 两芯片之间 芯片与金属盖板间通常以薄黄铜片 厚度小于 0 1mm 作为 焊接电极引线用 芯片 电极铜片用强力胶胶合 在压电组件的中央部分用结合轴与 圆锥状谐振子连成一体 圆锥状谐振子的边缘部分装有圆环弹性橡胶减振器 使之与 外壳固定 起声阻匹配作用 在电 声变换部分的前面的超声波束整形板 是对应 圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口 使超声波波束指向尖锐 吸声片吸收多余 反射声波 目前市面上出售的超声波传感器种类有通用型 拓宽型 宽带域型 防水型和高 频型等这几类 虽然通用型超声波传感器有频率带宽较窄的缺点 但是却可以换来高 灵敏度 抗噪声干扰强的优点 超声波基本应用电路主要分为三类 1 直射型 主要用于遥控及报警电路 2 分离反射型 主要用于测距 料位测量等电路 3 反射型 主要用于材料的探伤 测厚电路 7 鉴于成本的考虑 选用了普通的 T R 40 系列的超声波发射 接收传感器 T R 40 系列超声波传感器典型的工作频率为 39 41 KHz 其具体参数见表 2 1 表 2 1 外形尺寸 型号A mm B mm C mm D mm T R 40 1212 79 56 28 5 T R 40 1616 212 29 210 0 T R 40 18A18 014 210 811 8 T R 40 24A23 814 610 211 8 2 2 2 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于 20KHz 的机械波 为了以超声波作为检测手段 必须产生超 生波和接收超声波 完成这种功能的装置就是超声波传感器 习惯上称为超声波换能 器或超声波探头 超声波传感器有发送器和接收器 但一个超声波传感器也可具有发 送和接收声波的双重作用 超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互 转化 即在发射超声波的时候 将电能转换 发射超声波 而在收到回波的时候 则 将超声振动转换成电信号 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF time of flight 首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间 再乘以超声波的速 度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 测量距离的方法有很多种 短距离的可以 用尺 远距离的有激光测距等 超声波测距适用于高精度的中长距离测量 因为超声 波在标准空气中的传播速度为 331 45 米 秒 由单片机负责计时 单片机使用 12 0M 晶 振 所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级 由于超声波指向性强 能量消耗缓慢 在介质中传播距离远 因而超声波可以用 于距离的测量 利用超声波检测距离 设计比较方便 计算处理也较简单 并且在测 量精度方面也能达到要求 超声波发生器可以分为两类 一类是用电气方式产生超声 波 一类是用机械方式产生超声波 本课题属于近距离测量 可以采用常用的压电式 超声波换能器来实现 8 根据设计要求并综合各方面因素 可以采用 AT89C52 单片机作为主控制器 用数 码管进行显示 超声波驱动信号用单片机完成 图 2 4 超声波测距器原理框图 2 2 3 传感器位置 由于本测距系统是采用超声波发射和接收分离反射型结构 所以发射头和接收头 应该在同一平行直线上 出于距离和发射夹角所引起的误差以及超声波信号在传播过 程中衰减问题的考虑 发射和接收探头距离不可以太远 而又为了避免发射头对接收 头接收信号产生的干扰 二者也不能间隔太近 经过参考前人的经验以及调试时的实 际情况 应保持超声波发射头和接收头中心轴线平行并相距 4 20mm 即可 2 2 4 超声波发射电路 发射电路主要由超声波发射换能器 T 构成 如图 2 5 所示 图 2 5 超声波发射电路原理图 2 2 5 超声波接收电路 集成电路 CX20106 是一款红外线检波接收的专用芯片 常用于电视机红外遥控接 收器 考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距的超声波频率 40KHz 较为接近 可以利用它做超声波的检测接收电路 下面对红外遥控接收器集成电路 CX20106 做一 个简要的介绍 9 CX20106 是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器 采用单列 8 脚直插式 超小型封装 CX20106 的基本性能如下 1 电源电压典型值 5V 最大 17V 2 电源电流 1 1 2 5mA 典型值为 1 8mA 3 输出低电平 0 2V 4 电压增益 77 79dB 5 输入阻抗为 27k 6 滤波器中心频率 f0 为 30 60kHz 其内部结构如图 2 6 所示 引脚功能说明如表 2 2 所示 图 2 6 集成电路内部结构图 表 2 2 CX20106 引脚功能 引脚名称功能 1IN 信号输入端 2C1 RC 网络连接端 该端与地串接 RC 网络 以确定前置放大器的频率特性与增益 R 阻值大 C 容量小 增益低 反之则高但 C 不宜过大 否则瞬态响应速度会降 低 3C2 检波电容连接端 该端与地接检波电容 电容量大 则为平均值检波 瞬态响应 灵敏度低 电容值小 则为峰值检波 瞬态响应灵敏度高 但检波输出的脉宽变 动大 4GND 接地端 5f0 带通滤波器中心频率设置端 通过该脚与电源正端接电阻 R 来确定 f0 当 R 200 千欧时 中心频率 f0 40KHZ 当 R 220 千欧时 中心频率 f0 38KHZ 6C3 积分电容连接端 该脚所接积分电容标准值为 330PF 当电容值增大时 则外部 滤波干扰增强 而且输出脉冲的低电平持续时间增加 7OUT 信号输出端 该端口为集电极开路输出 当该脚与电源正端接 22 千欧的电阻时 输出脉冲低电平的标准值约为 0 2V 8VDD 电源正端 接 5V CX20106 该 IC 内部主要包括前置放大器 限幅放大 带通滤波 峰值检波 积分 滤波及波形整形电路等 基本原理如下 接收换能器把超声波回波转换为相应频率的 数字编码脉冲调幅波 并由 1 脚进入集成放大器的正相输入端 2 脚是放大器的反相输 入端 外接 RC 负反馈网络 可以决定和调节放大器的频率特性和电压增益 当电阻 值小或者电容值大时 电压增益高 通频带窄 反之 电压增益低 通频带宽 在放 大器输入端设置有 ABLC 电路 即自动偏压电路或者自动电平控制电路 它可使放大 及限幅电路输出电平稳定的编码信号 可自动调整放大器的偏置电压 使放大器的输 出电平稳定 然后 信号进入限幅放大器 可以滤除杂乱的寄生调幅和其他干扰 输 出包络脉冲顶部平直的编码脉冲调幅波 信号再进入带通滤波器 滤除频率范围 30 50KHZ 以外的干扰信号 5 脚外接电阻 调节其阻值可调节带通滤波器的中心频率值 然后信号进入峰值检波器 对编码脉冲的调幅波进行振幅检波 解调出数字编码脉冲 信号 3 脚外接电容是峰值检波器的滤波电容 检波出的信号再送到整形电路中进行波 形转换与整形 最后由 7 脚输出数字编码脉冲信号 送至 CPU 去识别 处理 6 脚外 接积分电容 可以滤除已调波的载波频率分量 而由检波器输出的数据编码信号 CPU 不能识别 故在检波器后设置由积分电路和磁滞回线型比较器组成的整形电路 整形电路是一种波形变换电路 它可将检波器输出的宽度编码脉冲整形变换为 CPU 所 能识别的数字信号 而实用的波形整形电路是积分电路和施密特比较器组成的电路 10 根据以上原理 超声波测距系统的接收电路如图 2 7 所示 超声波接收换能器将接 收到的回波信号转换后经过 0 047U 的电容初步滤波后 进入 CX20106A 的 1 脚 经过 CX20106A 的前置放大器 限幅放大 带通滤波器 中心频率为 40KHZ 检波器及比 较器 最后经过内部的整形电路 从 7 脚输出至 89C52 单片机的外部中断 0 P3 2 口 当芯片接收到 40KHZ 的信号时 7 脚的输出由高电平转为低电平 单片机外部中断 0 口检测到输入信号的下降沿或者低电平时 立即产生中断 同时停止定时 计数器 T0 从而得到超声波的回波时间 t 图 2 7 超声波接收电路原理图 2 3 单片机部分 2 3 1 单片机实现测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波 在发射时刻的同时 开始计时 超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来 超声波接收器收到反射 波就立即停止计时 超声波在空气中的传播速度为C 而根据计时器记录的测出发射和 接收回波的时间差t 就可以计算出发射点距障碍物的距离S Ct 2 式中的C为超声波 波速 限制该系统的最大可测距离存在 4 个因素 超声波的幅度 反射的质地 反射和 入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度 接收换能器对声波脉冲的直接接收能 力将决定最小的可测距离 为了增加所测量的覆盖范围 减小测量误差 可采用多个 超声波换能器分别作为多路超声波发射 接收的设计方法 由于超声波属于声波范围 其波速 C 与温度有关 表 2 3 波速与温度关系表 温度 波速 m s 20319 10325 0323 10338 20344 30349 100386 在测距时由于温度变化 可通过温度传感器自动探测环境温度 确定计算距离时 的波速 C 较精确地得出该环境下超声波经过的路程 提高了测量精确度 波速确定 后 只要测得超声波往返的时间 r 即可求得距离 5 单片机 AT89C52 发出短暂的 40kHz 信号 经放大后通过超声波换能器输出 反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入 锁相环对此信号锁定 产生锁定信 号启动单片机中断程序 得出时间 t 再由系统软件对其进行计算 判别后 相应的计 算结果被送至 LED 显示电路进行显示 若测得的距离超出设定范围系统将提示声音报 警电路报警 11 AT89C52 通过外部引脚 P2 0 输出脉冲宽度为 25 us 载波为 40kHz 的超声波脉冲 串 加到射随器的基级 经功率放大推动超声波发射器发射出去 超声波接收器将接 收到的反射超声波送到放大器进行放大 然后用锁相环电路进行检波 经处理后输出 低电平 送到 AT89C51 的引脚 2 3 2 单片机最小系统 自单片机出现至今 它已走过近 20 年的发展路程 纵观 20 年来单片机的发展历 程 单片机技术的发展以微处理器 MPU 技术及超大规模集成电路技术的发展为先导 以广泛的应用领域表现出微处理器更具有个性的发展趋势 现代单片机具有寿命长 速度越来越快 低电压 低功耗 低噪声与高可靠性技术等许多优点 10 本课题在选取单片机时 充分借鉴了许多成形产品使用单片机的经验 并根据自己的 实际情况 选择了 ATMEL 公司的 AT89C52 ATMEL 公司的 89 系列单片机以其卓越的性能 完善的兼容性 快捷便利的电擦 写操作 低廉的价格 超强的加密功能 完全替代 87C51 62 和 8751 52 低电压 低 电源 低功耗 有 DIP PLCC QFP 封装 有民用型 工业级 汽车级 军品级等多 种温度等级 是当今世界上性能最好 价格最低 最受欢迎的八位单片机 12 1 AT89C52 的特性 1 与 MCS 51 产品兼容 2 4K 字节可编程闪速程序存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保存时间 10 年 3 全静态工作 0Hz 33MHz 4 三级程序存储器加密锁定 5 128 8 内部 RAM 6 32 条可编程 I O 口线 7 两个 16 位定时器 计数器 8 6 个中断源 9 可编程串行通道 10 低功耗的闲置和掉电模式 AT89C52 是一种带 4K 字节闪速可编程只读存储器 PROM 的低功耗 高性能 CMOS 8 位微控制器 该器件采用 ATMEL 高密度 非易失存储器制造技术 与工业标 准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合 在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C52 是一种高效微控制器 为很多嵌入式控制系统提 供了一种灵活性高且价廉的方案 2 管脚说明 图 2 9 89C52 单片机管脚图 VCC 40 脚 供电电源 GND 20 脚 地 P0 口 P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I O 口 作为输出端 每脚可吸收 8 个 TTL 门电流 当 P0 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 口当用于外程序数据 寄存器它可以被定义为数据 地址的低八位 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收或输出 4 个 TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下 拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验 IL I 时 P1 口作为低八位地址接收 P2 口 P2 口为带内部上拉的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收或输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写为 1 时 其管脚被内部电路拉高 作为输入 P2 口管脚被 外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口用于外部程序存储器 IL I 或 16 位地址外部数据存储器进行存取 MOVX QRI 时 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉的优势 当对外部八位地址数据存储器进行读写时 MOVX QRL P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉的双向 I O 口 可接收或输出 4 个 TTL 门电流 P3 口写入 1 时 被内部上拉为高电平 并用作输入 P3 口管脚被外部拉低 将输出 电流 这是由于内部上拉的缘故 P3 口也可用作 AT89C52 的一些特殊功能口 IL I 如下所列 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT0 外部中断 1 P3 4 T0 计数器 0 外部输入端 P3 5 T0 计数器 1 外部输入端 P3 6 外部数据存储器写选通WR P3 7 外部数据存储器读选通RD P3 口同时为闪速编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当要使器件复位时 要在 RST 脚保持两个机器周期的高电平时 间 ALE 当访问外部存储器时 地址锁存允许输出电平 用于锁存地址的低位字PROG 节 此输出为外部程序存储器的读选通信号 PSEN 当保持低电平时 则只访问外部程序存储器 0000H FFFFH 不 PP EA VEA 管是否有内部存储器 XTAL1 反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡放大器的输出 由 AT89C52 构成的最小系统包含单片机复位电路和时钟电路 具体接法是 89S52 的 18 19 脚接 12MHz 晶振 40 脚输入信号为 5 伏 20 脚接地 EA 脚接高电平 电 路图如图 2 9 所示 图 2 10 89C52 最小系统 2 3 3 数码管的显示电路 随着电子技术和计算机技术的发展 目前国内已有各类 LED 显示屏广泛应用于交 通 邮电 银行 证券交易所等领域 在这里我们可以采用数码管作为指示和单片机 AT89C52 直接连接 电路如图 2 10 所示 图 2 11 LED 与 AT89C52 连接图 2 3 4 电源电路 电子产品中常见到的三端 稳压 集成电路有正电压输出的78 系列和负电 压输出的 79 系列顾名思义 三端 IC 是指这种稳压用的集成电路只有三条引脚输 出 分别是输入端 接地端和输出端 它的样子 像是普通的三极管 TO 220 的标 准封装 也有 9013 样子的 TO 92 封装 用 78 79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少 电路内部还 有过流 过热及调整管的保护电路 使用起来可靠 方便 而且价格便宜 该系列 集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压 如 7806 表示输出电压为正 6V 7909 表示输出电压为负 9V 电子制作中经常采用 H7805A为3端正稳压电路 TO 220封装 能提供多种固定的 输出电压 应用范围广 内含过流 过热和过载保护电路 带散热片时 输出电流可 达1A 虽然是固定稳压电路 但使用外接元件 可获得不同的电压和电流 其主要特 点包括 输出电流可达1A 输出电压有5V 过热保护 短路保护 输出晶体管SOA保 护等 其封装图如图2 11 其工作内部原理如图2 12 图 2 12 外接元件封装图 图 2 13 内部原理图 对 7805 的应用是比较广泛的 在此我们介绍下它的典型应用电路 如图 2 13 图 2 14 7805 典型应用电路图 本系统的电源电路如下 我们用外部电源比如可以用变压器输入电源 经过 7805 以后