超声波测距仪——图森破.doc

浙江工业职业技术学院设计报告超声波测距仪的设计学院:电气工程分院 班级:11电子信息工程技术(2)组名:图森破 成员:姜华 丁旭 董耀阳 赵辉 许仲明 汪学凯 指导教师:金永敏 2013年12月12日 摘要 传统的超声波测距采用的主要原理是通过比较发射超声波与接收到的超声波时差，从而根据距离与时间的关系，得到测量距离。而本设计利用超声波传输中距离与时间的关系，采用AT89C51单片机进行控制及数据处理，设计出了能精确测量两点间距离的超声波测距仪。关键词：超声波 测距 AT89S51 处理总体方案设计：1.1基于单片机AT89S51的超声波测距仪锁相环电路放大电路超声波发射接收电路LCD显示主控制器图 11设计框图 方案一：如上图所示单片机AT89C51发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和回收的时间差tr，然后求出距离S=Ct/2，式中的c 为超声波波速。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AT89S51引脚。AT89S51通过外部引脚P2.0输出脉冲宽度为25/us，载波为40KHZ超声波脉冲串，加到射随器的基极，经功率放大推动超声波发射器发射出去。限制该系统的最大可测距离存在四个因素：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受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1列出了几种不同温度下的波速。表 11 波速与温度关系表温度/-20-100102030100波速/m/s319325323338344349386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的超声波经过的路程，提高测量精确度。波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离。1.2 利用分立模块的超声波测距仪图1-2 超声波测距模块组硬件框图方案二：如上图所示整个系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组、控制模组及电源等五个部分。超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。显示模块是一个8位段数码显示的LCD；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供电系统各部分电路使用。1.3 方案的选择基于上述两种方案的比较，方案二所测的精密度比方案一高，但测量盲区较长，结构复杂且稳定性不高。而方案一比方案二测到的距离远，电路比较简单，但能实现相同功能，也能实现双向测距，在显示效果方面也比方案二更好，而且功耗也低，同时还有报警功能。精简指令使其执行效率大为提高，彻底的保密性。在有限的情况之下，方案一比方案二更加容易实现，所需要的元器件比较常用，花费也比较少。但是因为教学条件限制我们选用方案二。一、单元模块设计：超声波谐振频率调理电路由单片机产生40KHz的方波，并通过模组接口（J4）送到模组的CD4049，而后面的CD4049则对40KHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。超声波回波接收处理电路超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大；后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压为LM311的3管脚的输入，可由J1跳线选择不同的比较电压以选择不同的测距模式。电源接口J3为外部电源接口，最高电压不要超过12V，J2为电源选择跳线，VCC_5即为由61板通过10PIN排线引入模组的电源；VCC即为模组的放大器、调理电路的供电电源。当用户使用61板为其供电时，要把VCC与VCC_5V短接；而使用外部电源时，要把VCC与VCC_IN短接。测距模式选择跳线模组提供了测距模式选择跳线J1，可以选择短距测量模式、中距测量模式，或距离可调模式。跳线选择LOW时为近距测量模式，选择HIG时为中距测量模式；选择SET时为距离可调模式。凌阳科技大学计划提供了短距测量模式和中距测量模式的完整程序（其中ultrasonic_Low为短距测量模式程序；ultrasonic_long为中距测量模式程序）。模组接口用户只需要把前面的电源输入跳线J2、测量模式选择跳线J1设置好后，用排线把J5与SPCE061A的IOB口低八位相接，J4与IOB口高八位相接，即可使用了。电路参数：主要元器件超声波探头其工作原理是当施加于超声波传感器两电极上40kHz的振荡脉冲时，发射器工作腔内发生振动效应，产生40kHz的超声振荡机械波向空中辐射。接收传感器回收到40kHz的超声振荡波时，接收器中的谐振腔（片形振子）和外部40kHz的超声波发生共振，将超声波转换成电信号去控制电子电路工作，从而达到遥控的目的。元器件单贴片电阻若干，电容若干，按键开关一个，电位器一个，一个发光二极管，一个电源插口，一块CD4049，一块NE5532，一块IM311各单元模块的联接一般应用时,只需要用两条10PIN排线把J5与SPCE061A的IOB口低八位连接,J4与IOB口高八位连接,同时设置好J1、J2跳线就完成硬件的连接了。不同测距模式的选择只需改变测距模式跳线J1的连接方法即可。二、主程序流程图开发工具keil软件，设计平台关键软件设计思想方法三系统测试能实现的功能有：测距和测试温度测试方法：一、 超声波调理电路：有信号发生器输入到超声波测距模块的send口，再用示波器连cd4049的6号脚和12号脚，这两个脚可以测出两个相对称的方波。二、 放大电路：示波器连NE5532的7号脚，测出放大波形，通过计算放大倍数与理论值不符合。测试效果图：方波图测温测距放大波形图分析根据40k方波说明超声波模块正常，但是因为信号放大模块放大达不到理论值，所以测距效果达不到理论效果。四、设计总结：设计分析本次超声波测距仪的设计设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量距离。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。超声波发射电路主要由反相器4069和超声波发射换能器FSQ构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。设计体会这次实验有一定的难度，需要我们每个人都团结合作。特别是在程序设计和效果调试的过程当中需要整个小组一起参与，这样每个人才都能熟悉这个东西的工作原理，为后期制作提供至此，有利于小组讨论！设计建议这次实验虽然达到了一定的效果但是，理论值于效果不相符合。所以造成测量的效果达不到预期效果。所以，要对放大电路进行重新设计，提升它的放大效果，使得实验效果明显。五、参考文献1 黄森彬.机械设计基础.北京:机械工业出版社.2001,5.2刘华东.单片机原理与应用.北京:电子工业出版社,2002.3谢自美.电子线路设计实验测试(第二版) .武汉:华中科技大学出版社,2000.4杨树.数字电子技术.北京:高等教育出版社,2004.5何小艇.电子