基于51单片机的超声波测距系统的毕业设计.doc

中北大学毕业论文 1 摘 要 超声波是指频率在20kHz以上的声波 它属于机械波的范畴 超声波也遵循一般机 械波在弹性介质中的传播规律 如在介质的分界面处发生反射和折射现象 在进入介质 后被介质吸收而发生衰减等 正是因为具有这些性质 使得超声波可以用于距离的测量 中 随着科技水平的不断提高 超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中 系统的设计主要包括两部分 即硬件电路和软件程序 硬件电路主要包括单片机电 路 发射电路 接收电路 显示电路和电源电路 另外还有复位电路和LED控制电路等 采用以STC89C51单片机为核心的低成本 高精度 微型化数字显示超声波测距仪的硬 件电路 整个电路采用模块化设计 由信号发射和接收 供电 温度测量 显示等模块 组成 发射探头的信号经放大和检波后发射出去 单片机的计时器开始计时 超声波被 发射后按原路返回 在经过放大带通滤波整形等环节 然后被单片机接收 计数器停止工作 并得到时间 温度测量后送到单片机 通过程序对速度进行校正 结合两者实现超声波测 距的功能 软件程序主要由主程序 预置子程序 发射子程序 接收子程序 显示子程 序等模块组成 它控制单片机进行数据发送与接收 在一定温度下对超声波速度的校正 还有实现数据正确显示在LED上 另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波 的影响 相关部分附有硬件电路图 程序流程图 实际的环境对超声波有很大的影响 如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等 空气 的温度对超声波的速度影响也很大 此外供电电源也会使测量差生很大的误差 再设计 的过程中考虑了这些因素 并给出了一些解决方案 关键词 STC89C51 超声波 测距 中北大学毕业论文 1 目 录 摘 要 1 第 1 章 绪论 2 1 1 课题背景及重要意义 2 1 2 国内超声检测发展综述 2 1 3 超声波测距存在的问题与课题的意义 2 1 4 本文主要研究内容 3 第 2 章 超声波测距原理与方法 4 2 1 超声波简介 4 2 1 1 超声波的三种形式 5 2 1 2 超声波的物理性质 5 2 1 3 超声波对声场产生的作用 5 2 2 超声波传感器介绍 6 2 2 1 超声波测距原理及结构 6 2 2 2 超声波传感器选择 8 2 2 3 超声波测距的原理 9 2 2 4 发射脉冲宽度 10 2 2 5 测量盲区 10 2 3 本章小结 11 第 3 章 系统硬件设计 12 3 1 发射电路设计 13 3 1 1 发射电路设计方案 13 3 1 2 发射电路常用方案 14 3 1 3 超声波发射器的注意事项 14 3 2 接收电路设计 15 3 3 单片其他电路设计 17 3 3 1 LCD 显示部分 17 3 3 2 报警部分 18 3 4 本章小结 18 第 4 章 软件设计和测量结果分析 18 4 1 系统软件设计 18 4 2 外部中断子程序 20 4 3 定时器中断子程序 20 4 4 实现重要功能的程序分析 21 4 4 1 实现温度读取功能 21 4 4 2 实现根据温度转化声速 21 4 4 3 实现距离计算 22 4 5 本章小结 22 中北大学毕业论文 2 第 5 章 结论 22 参考文献 23 2 第 1 章 绪论 1 1 课题背景及重要意义 近年来 随着电子测量技术的发展 运用超声波作出精确测量已成可能 随着经济 发展 电子测量技术应用越来越广泛 而超声波测量精确高 成本低 性能稳定则备受 青睐 超声波是指频率在20kHz以上的声波 它属于机械波的范畴 超声波也遵循一般 机械波在弹性介质中的传播规律 如在介质的分界面处发生反射和折射现象 在进入介 质后被介质吸收而发生衰减等 正是因为具有这些性质 使得超声波可以用于距离的测 量中 随着科技水平的不断提高 超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之 中 一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量 适用于建筑物内部 液位高度 的测量等 由于超声测距是一种非接触检测技术 不受光线 被测对象颜色等的影响 较其它 仪器更卫生 更耐潮湿 粉尘 高温 腐蚀气体等恶劣环境 具有少维护 不污染 高 可靠 长寿命等特点 因此可广泛应用于纸业 矿业 电厂 化工业 水处理厂 污水 处理厂 农业用水 环保检测 食品 酒业 饮料业 添加剂 食用油 奶制品 防 汛 水文 明渠 空间定位 公路限高等行业中 可在不同环境中进行距离准确度在线 标定 可直接用于水 酒 糖 饮料等液位控制 可进行差值设定 直接显示各种液位 罐的液位 料位高度 因此 超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用 利用超 声波检测往往比较迅速 方便 计算简单 易于实现实时控制 并且在测量精度方面能 达到工业实用的指标要求 因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走 就必须装 备测距系统 以使其及时获取距障碍物的位置信息 距离和方向 因此超声波测距在 移动机器人的研究上得到了广泛的应用 同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点 因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用 1 2 国内超声检测发展综述 在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷 例如 液面测量就是一种距离测量 传统的电极法是采用差位分布电极 通过给电或脉冲来检测液面 电极长期浸泡于水中 或其他液体中 极易被腐蚀 电解 失去灵敏性 由于超声波具有强度大 方向性好等 特点 利用超声波测量距离就可以解决这些问题 因此超声波测量距离技术在工业控制 勘探测量 机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用 超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建 但是基于这些传统电路构建 的系统往往可靠性差 调试困难 可扩展性差 所以基于单片机的超声波测距系统被广 3 泛的应用 通过简单的外围电路发生和接收超声波 单片机通过采样获取到超声波的传 播时间 用软件来计算出距离 并且可以采集环境温度进行测距补偿 其测量电路小巧 精度高 反映速度快 可靠性好 1 3 超声波测距存在的问题与课题的意义 我就影响超声测距误差的几个因素做了分析 并为本系统选择了比较适合的传感器 即由一支发射探头 UCM T40KI 和一支接收探头 UCM R40KI 的收发分体式传感器 本 节在此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析 系统计划在实验室内实现小范围测 距 测试距离约为 0 2m 3m 米 系统整体结构如图所示 图 1 1 系统设计方案图 发射电路采用单片机 P1 0 端口编程输出 40kHz 左右的方波脉冲信号 同时开启内 部计数器 T0 由于单片机端口输出功率很弱 为使测量距离满足要求 驱动超声传感 器 UCM 40T 发射超声波距离足够远 故在此电路上加功率放大电路 从接收传感器探头 UCM 40T 传来的超声回波很微弱 几十个 mV 级 又存在着较 强的噪声 所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的 本系统设计此部分电路时 采用一级放大和带通滤波电路 中心频率 40KHz 左右 放大滤波电路均采用了高速精 密运算放大器 TL082 输出信号大约在 5V 左右 由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号 而单片机所能接受的中断响应 信号常为下降沿脉冲信号 故信号在放大电路后通过 LM393 构成的比较电路 将正弦 信号转换成方波信号 用方波的负跳变作单片机的中断输入 使得单片机知道已接收到 超声信号 内部计数器停止计时 1 4 本文主要研究内容 本系统硬件部分由 STC89C51 控制器 超声波发射电路及接收电路 温度测量电路 4 声音报警电路和 LCD 显示电路组成 超声波测距器的系统框图如下图所示 图 1 2 系统设计总框图 由单片机 STC89C51 编程产生 10us 以上的高电平 由指定引脚输出 就可以在指 定接收口等待高电平输出 一旦有高电平输出 即在模块中经过放大电路 驱动超声波 发射探头发射超声波 发射出去的超声波经障碍物反射回来后 由超声波接收头接收到 信号 通过接收电路的处理 指定接收口即变为低电平 读取单片机中定时器的值 单 片机利用声波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的距离 并由单片机控制显示出来 由时序图可以看出 超声波测距模块的发射端在 T0 时刻发射方波 同时启动定时 器开始计时 当收到回波后 产生一负跳变到单片机中断口 单片机响应中断程序 定 时器停止计数 计算时间差 即可得到超声波在媒介中传播的时间 t 由此便可计算出 距离 图 1 3 时序图 发射电路 接收电路 AT89C51 LCD DS18B20 报警电路 5 第 2 章 超声波测距原理与方法 2 1 超声波简介 超声波技术是一门以物理 电子 机械 以及材料科学为基础的 各行各业都可使 用的通用技术之一 超声波技术是通过超声波的产生 传播以及接收的物理过程完成的 该技术在国民经济中 对提高产品质量 保障生产安全和设备安全运作 降低生产成本 提高生产效率特别具有潜在能力 因此 我国对超声波的研究特别活跃 2 1 1 超声波的三种形式 超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波 横波 质点振动方向垂直于传播方向 的波 纵波 质点振动方向与传播方向一致的波 表面波 质点振动介于纵波和横波之 间 沿表面传播的波 横波只能在固体中传播 纵波能在固体液体中和气体中传播 表 面波随深度的增加其衰减很快 为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波 2 1 2 超声波的物理性质 1 超声波的反射和折射 当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时 一部分超声波被反射 另一部分透射过界面 在相邻介质内部继续传播 这样的两种情况称之为超声波的反射 和折射 2 超声波的衰减 超声波在一种介质中传播 其声压和声强按指数函数规律衰减 3 超声波的干涉 如果在一种介质中传播几个声波 于是产生波的干涉现象 由于超声波的干涉 在 辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场 2 1 3 超声波对声场产生的作用 1 机械作用 超声波传播过程中 会引起介质质点交替的压缩与伸张 构成了压力的变化 这种 压力的变化将引起机械效应 超声波引起质点的运动 虽然位移和速度不大 但是与超 声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大 有时足以达到破坏介质的程度 6 2 空化作用 在流体动力学指出 存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动 当声压达到一定 的值时 气泡将迅速膨胀 然后突然闭合 在气泡闭合时产生冲击波 这种膨胀 闭合 振动等一系列动力学过程称为空化 3 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收 实际上也就是有能量吸收 同时 由于超 声波的振动 使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量 这种能量使介质温 度升高 2 2 超声波传感器介绍 总体上讲 超声波发生器可以分为两大类 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 电气方式包括压电型 磁致伸缩型和电动型等 机械方式有加 尔统笛 液哨和气流旋笛等 他们所产生的超声波的频率 功率和声波特性各不相同 因而用途也各不相同 目前较为常用的是压电式超声波发生器 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的 它有两个压电晶片和 一个共振板 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 晶片将会发生共振 并带动共振板振动 便产生超声波 反之 如果两极间未外加电压 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 成为超声波接收器了 超声波传感器结构如下 图 2 1 超声波传感器外部结构 图 2 2 超声波传感器内部结构 2 2 1 超声波测距原理及结构 电能或机械能转换成声能 接收端则反之 本次设计超声波传感器采用电气方式中 的压电式 超声波传感器分机械方式和电气方式两类 它实际上是一种换能器 在发射 端它把超声波换能器 它是利用压电晶体的谐振来工作的 它有两个压电晶片和一个共 振板 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 压电晶片将 会发生共振 并带动共振板振动 产生超声波 反之 如果两电极间未外加电压 当共 7 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 就成为超声波 接收器 在超声波电路中 发射端输出一系列脉冲方波 脉冲宽度越大 输出的个数越 多 能量越大 所能测的距离也越远 超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不 同 使用时应分清器件上的标志 超声波测距的方法有多种 如往返时间检测法 相位检测法 声波幅值检测法 本 设计采用往返时间检测法测距 其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波 借助空 气媒质传播 到达测量目标或障碍物后反射回来 经反射后由超声波接收器接收脉冲 其所经历的时间即往返时间 往返时间与超声波传播的路程的远近有关 测试传输时间 可以得出距离 假定 s 为被测物体到测距仪之间的距离 测得的时间为 t s 超声波传播速度为 v m s 1 表示 则有关系式 2 1 s vt 2 2 1 在精度要求较高的情况下 需要考虑温度对超声波传播速度的影响 按式 2 2 对超 声波传播速度加以修正 以减小误差 v 331 4 0 607T 2 2 式中 T 为实际温度单位为 v 为超声波在介质中的传播速度单位为 m s 超声波为直线传播方式 频率越高 绕射能力越弱 但反射能力越强 为此 利用 超声波的这种性质就可制成超声波传感器 它是一种将其他形式的能转变为所需频率的 超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件 目前常用的超声传感器有两 大类 即电声型与流体动力型 电声型主要有 1 压电传感器 2 磁致伸缩传感器 3 静电传 感器 流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛 由于工作频率与应用目的不同 超声传感器的结构形式是多种多样的 并且名称也有不同 例如在超声检测和诊断中习 惯上都把超声传感器称作探头 而工业中采用的流体动力型传感器称为 哨 或 笛 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种 探头由压电晶片 楔块 接头等组成 是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件 是超声波检测装置的 重要组成部分 压电材料分为晶体和压电陶瓷两类 属于晶体的如石英 妮酸锂等 属 于压电陶瓷的有锆钛酸铅 钦酸钡等 其具有下列的特性 把这种材料置于电场之中 它就产生一定的应变 相反 对这种材料施以外力 则由于产生了应变就会在其内部产 生一定方向的电场 所以 只要对这种材料加以交变电场 它就会产生交变的应变 从 而产生超声振动 因此 用这种材料可以制成超声传感器 传感器的主要组成部分是压电晶片 当压电晶片发射电脉冲激励后产生振动 即可 发射声脉冲 是逆压电效应 当超声波作用于晶片时 晶片受迫振动引起的形变可转换 成相应的电信号 是正压电效应 前者用于超声波的发射 后者即为超声波的接收 超 声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成 这种超声传感器需要的压电材料较少 价格 A 压电晶片 B 8 低廉 且非常适用于气体和液体介质中 在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流 电压时 根据压电效应 就会使压电陶瓷晶片产生机械变形 这种机械变形的大小和方 向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的 也就是说 在压电陶瓷晶片上加 有频率为儿交流电压 它就会产生同频率的机械振动 这种机械振动推动空气等媒介 便会发出超声波 如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用 这将会使其产生机械变形 这种机械变形是与超声机械波一致的 机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波 相同的电信号 图 2 3 双压电晶片示意图 双压电晶片如图 2 3 所示 当在 AB 间施加交流电压时 若 A 片的电场方向与极化 方向相同 则下面的方向相反 因此 上下一伸一缩 形成超声波振动 图 2 4 双压电晶片的等效电路图 双压电晶片的等效电路如图 2 4 所示 为静电电容 R 为陶瓷材料介电损耗 并 O C 联电阻 Cm 和 Lm 为机械共振回路的电容和电感 为损耗串联电阻 压电陶瓷晶片有 m R 一个固定的谐振频率 即中心频率 o 发射超声波时 加在其上面的交变电压的频率要 与它的固有谐振频率一致 这样 超声传感器才有较高的灵敏度 当所用压电材料不变 时 改变压电陶瓷晶片的几何尺寸 就可非常方便的改变其固有谐振频率 利用这一特 性可制成各种频率的超声传感器 超声波传感器采用双晶振子 即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起 在长度 方向上 一片伸长另一片就缩短 在双晶振子的两面涂敷薄膜电极 其上面用引线通过 金属板 振动板 接到一个电极端 下面用引线直接接到另一个电极端 双晶振子为正方 形 正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着 这两处的支点就成为振子振动的节点 金属板的中心有圆锥形振子 发送超声波时 圆锥形振子有较强的方向性 因而能高效 率地发送超声波 接收超声波时 超声波的振动集中于振子的中心 所以能产生高效率 的高频电压 A 压电晶片 B 9 2 2 2 超声波传感器选择 超声波传感器有多种结构形式 可分成直探头 接收纵波 斜探头 接收横波 表 面波探头 接收表面波 收发一体式探头 收发分体式双探头等 超声波传感器分通用 型 宽频带型 耐高温型 密封放水型等多种产品 一般电子市场上出售的超声波传感 器常见的有收发一体式和收发分体式两种 其中收发一体式就是发送器和接受器为一体 的传感器 即可发送超声波 又可接受超声波 收发分体式是发送器用作发送超声波 接受器用作接受超声波 在超声波测量系统中 频率取得太低 外界的杂音干扰较多 频率取得太高 在传 播的过程中衰减较大 检测距离越短 分辨力也变高 本文中选用的探头是 4OKHz 的 收发分体式超声传感器 由一支发射传感器 UCM T40KI 和一支接收传感器 UCM R4OKI 组成 其特性参数如表 2 5 所示 表 2 5 传感器特性参数表 型号 UCM T40K1UCM R40KQ 结构开放式开放式 使用方式发射接收 中心频率 Z KH140 Z KH138 频带宽 Z KH5 02 Z KH5 02 灵敏度 ubardBV110ubardBV65 声压 02 0 0min 115mPadBdB 10min 70ubarVdBdB 指向角 o 75 o 80 容量 pF 252500 pF 252500 2 2 3 超声波测距的原理 超声波测距方法主要有三种 1 相位检测法 精度高 但检测范围有限 2 声波 幅值检测法 易受反射波的影响 3 渡越时间法 工作方式简单 直观 在硬件控制 和软件设计上都容易实现 其原理为 检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播 到接收传感器的时间 t 这个时间就是渡越时间 然后求出距离 l 设 l 为测量距离 t 为往返时间差 超声波的传播速度为 c 则有 l ct 2 综合以上分析 本设计将采用渡 越时间法 10 图 2 6 测距原理 由于超声波也是一种声波 其声速 c 与空气温度有关 一般来说 温度每升高 1 摄 氏度 声速增加 0 6 米 秒 表 2 7 列出了几种温度下的声速 表 2 7 声速与温度的关系表 温度 摄氏度 30 20 10 0102030100 声速 米 秒 313319325323338344349386 在使用时 如果温度变化不大 则可认为声速 c 是基本不变的 计算时取 c 为 340m s 如果测距精度要求很高 则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者 在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正 在本系统中利用 AT89S52 中的定时器测量超声波传播时间 利用 DS18B20 测量环 境温度 从而提高测距精度 空气中声速与温度的关系可表示为 6 04 331 16 273 16 273 45 331smT T c 2 3 声速确定后 只要测得超声波往返的时间 即可求得距离 L 1 2 331 4 0 6T t 系统中应用该式进行温度补偿 如果为了进一步提高测量精度 本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的 设计 系统中应用该式进行角度补偿 222 slh 2 2 4 发射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区 也影响测量精度 同时与信号的发射能量 有关 减小发射脉冲宽度 可以提高测量精度 减小测量盲区 但同时也减小了发射能 量 对接收回波不利 但是根据实际的经验 过宽的脉冲宽度会增加测量盲区 对接收 回波及比较电路都造成一定困难 在具体设计中 比较了 25 s l 个 40KHz 方波脉冲 100 s 4 个 40KHz 方波脉冲 200 s 8 个 40KHz 方波脉冲 800 s 32 个 40KHz 方波 脉冲 的发射脉冲宽度 作为发射信号后的接收信号 最终采用短距离 2m 内 发射 200 s 8 个 40KHz 方波脉冲 发射脉冲宽度 长距离 2m 外 发射 800 s 32 个 40KHz 脉冲 方波 的发射脉冲宽度 同时单片机编程避开盲区 此时 从接收回波信号幅度和测量 11 盲区两个方面来衡量比较适中 并且接收准确响应速度快 2 2 5 测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下 电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同 时也进入接收部分 此时 在短时间内放大器的放大倍数会降低 甚至没有放大作用 这种现象称为阻塞 不同的检测仪阻塞程度不一样 根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺 陷进行定量评价会使结果偏低 有时甚至不能发现障碍物 这是需要注意的 由于发射 声脉冲自身有一定的宽度 加上放大器有阻塞问题 在靠近发射脉冲一段时间范围内 所要求发现的缺陷往往不能被发现 这段距离 称为盲区 具体分析如下 图 2 8 传感器回波测距原理分析图 如图所示 当发射超声波时 发射信号虽然只维持一个极短时间 但停止施加发射 信号后 探头上还存在一定余振 由于机械惯性作用 因此 在一段较长时间内 加在 接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度 可以达到限幅电路的限幅电平 Vm 另一方面 接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小 即使是离探头较 近的表面反射回来的信号 也达不到限幅电路的限幅电平 当反射面离探头愈来愈远 接收和发射信号相隔时间愈来愈长 其幅值也愈来愈小 在超声波检测中 接收信号的 衰减总是比发射信号余振衰减慢的多 为保证一定的信噪比 接收信号幅值需达到规定 的阈值 Vm 亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号 由 图 2 8 可见 从 b 点以后 接收的信号低于闽值 相当于测距的远限 另外 从图中 A 点以后 接收信号才比发射信号大 但还将与发射信号相迭加 难以分辨 从 c 点以后 发射信号低出阈值 Vm 接收信号才基本摆脱发射信号干扰 而能明显的被分辨 所以 在要求较高时 把 oc 这段时间规定为盲区时间 从距离上说 根据盲区时间和声速 就可以求得盲区距离 因此 cb 为可测距范围 b 点就为测距远限 其外部就为测量不到 12 的区域 2 3 本章小结 本章首先介绍了超声波的形成 超声波在传播过程中的反射折射规律以及如何衰减 通 过详细分析超声传感器的内部结构以及影响超声传感器的几个重要参数给出本系统设计 中所用超声传感器的特性参数 分析了超声波测距的基本原理 并在此基础上给出了测 距的几种常用方法以及传感器指向角 工作频率 环境温度 发射脉冲宽度和测量盲区 对超声测距精度的影响 13 第 3 章 系统硬件设计 系统硬件主要由单片机系统及显示电路 超声波发射电路 超声波检测接收电路和 温度补偿电路四部分组成 随着超声波测量技术的不断提高 用超声波测量任何目标物 体 都存在着超声波的发射和接收问题 不论超声波传感器的大小 形状 灵敏度有何 不同 其工作原理都有是一样的 都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能 即 在媒质中产生超声波 要提高超声测量的精度或分辨力 必须从超声波的发射和接收 两方面入手 这也是设计超声测量仪器的关键和难点所在 发射电路采用单片机 P1 0 端口编程输出 40KHz 左右的方波脉冲信号 同时开启内 部计数器 T0 由于单片机端口输出功率很弱 在此电路上加功率放大电路使测量距离 满足要求 驱动超声传感器 UCM 40T1 发射超声波距离足够远 由于从接收传感器探头 UCM40T 传来的超声波回波很微弱 几十个 mV 级 又存 在着较强的噪声 所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑 这里使用 CX 20106A 集成电路对接收探头接受到的信号进行放大 滤波 信号经过 P2 7 端口送入单片机中 进行处理 为节省硬件考虑 显示电路采用动态扫描显示 通过单片机编程将内部计数 得到的时间数据 转换为距离信息 通过三位 LED 数码管显示 3 1 发射电路设计 超声波发射部分是为了让超声波发射换能器 TCT40 16T 能向外界发出 40 kHz 左 右的方波脉冲信号 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法 采用硬件如由 555 振荡产生或软件如单片机软件编程输出 本系统采用后者 编程由单片机 P1 0 端口 输出 40 kHz 左右的方波脉冲信号 由于单片机端口输出功率不够 40 kHz 方波脉冲信 号分成两路 送给一个由 74HC04 组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够 远 满足测量距离要求 最后送给超声波发射换能器 TCT40 16T 以声波形式发射到空 气中 发射部分的电路 如图 3 1 所示 图中输出端上拉电阻 R31 R32 一方面可以 提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力 另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果 缩短其自由振荡的时间 14 3 1 1 发射电路设计方案 一 发射电路输出波形分析 1 发射波形的重复性 为获得高分辨力 发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性 此外 所发射的超声波应尽量单纯 即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动 以便接收 时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰 为避免超声波在障碍物 表面反射时造成的各种损失和干扰 由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波 其 波形 应 与晶片振动规律相同 发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性 通常发射电路按发射方式分为 单脉冲发射 多脉冲发射和连续发射 测距所用超 声波一般都是间断单脉冲发射 每测距一次 发送 接收一次 间断地激发换能器晶片 振动 此方法测试距离太近 本系统采用间断多脉冲发射 系统自动识别被测距离远近 设置发射脉冲个数 2 发射波形电压及功率 传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度 综合各种损耗的 因素 包括往返传播损失 声波传输损失 声波反射损失 环境噪声损失 另外考虑实 际发射传感器的最大输入电压为 20Vp p 以及单片机正常工作输出最大电压 5V 传感 器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近 所以考虑电压的同时应该考 虑如何提高其功率 才能使得发射电路更合理 3 1 2 发射电路常用方案 由上面的分析 我们知道发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的电压及 图 3 1 超声波发射电路框图 15 其功率 本系统用单片机 P1 0 发射一组方波脉冲信号 其输出波形稳定可靠 但输出 电流和输出功率很低 不能够推动发射传感器发出足够强度的超声信号 所以在此间加 入一个单电源乙类互补对称功率放大电路 如图 3 2 所示 Q2 Q1 VCC VCC C1 R1 LS1 RF P1 0 图 3 2 超声波发射电路 3 1 3 超声波发射器的注意事项 超声波发射器向某一方向发射超声波 在发射超声波的同时开始计时 超声波在空 气中传播 途中碰到障碍物反射后立即返回来 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约为 340m s 根据计时器记录的时间 t 就可以计算出 超声波发射点距障碍物的距离 s 即为 s 340t 2 这就是所谓的时间差测距法 存在 4 个因素限制了该系统的最大可测距离 超声波的幅度 反射的质地 反射回 波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度 测距误差主要来源于以下几个方面 1 超声波波束对探测目标的入射角的影响 2 超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系 所以实际测量时 不一定是 第一个回波的过零点触发 3 超声波传播速度对测距的影响 稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度 的必要条件 波的传播速度取决于传播媒质的特性 传播媒质的温度 压力 密度对声 速都将产生直接的影响 因此需对声速加以修正 4 由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算 因而不可避免地存在发射和 反射之间的夹角 其大小为 2 当很小的时候 可直接按式进行距离的计 2SC t V 算 当夹角很大的时候 必须进行距离的修正 修正的公式为 3 1 cos 2 c t S 16 实际的调试过程中 要十分注意发射和接收探头在电路板上的安装位置 这是因 为每一种超声波发射 接收头都有一个有效测量夹角 这里用到的发射 接收头有效测 量夹角为 45 接收换能器对超声波脉冲的直接接收能力将决定该系统最小的可测距离 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 3 2 接收电路设计 接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后 因谐振而形成逐步加强的机械振动 因 压电效应晶片两面出现交变的等量异号电荷 电荷量很少 只能提供微小交变的电压信 号 而不能提供电流信号 所以需要一个前置放大电路将这一微小交变电压信号充分放 大 同时考虑可能出现干扰信号 放大有用信号的同时加入滤波电路 驱动后面的比较 器输出电位跳变 作为确定接收到的时刻 前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大 并抑制其它的噪声和干扰 从 而达到最大信噪比 以利于后续电路的设计 LS2 UCM40 2 3 1 411 1 TL082 R2 R3 Rp VCC VCC U0 Ui If Ii 图 3 3 前置放大电路图 电路如图 3 3 所示 考虑到超声换能器的输出电阻比较大 一般数百兆欧姆以上 因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗 Input Impedance 同时 换能器的输出电压很 小 数十毫伏 这就要求前置放大电路有很高的精度 很小的输入偏置电压 Input Offset Voltage 前置放大电路是由一个高精度 高输入阻抗放大器 TL082 及电阻 R 2 和 R 构成 组成反向比例放大电路 这样可以减小地线噪声的影响 3 R 由电路的基本知识 可列出 17 I 3 2 2 R UUi i I 3 3 3 R UU f 根据放大器理想化的两个重要概念 1 集成运放两个输入端之间的净输入电压 U 通常接近于零 即 U U UO 若 把它理想化 则有 U 0 但不是短路 故常称为虚短 2 集成运放两输入端几乎不取用电流 即净输入电流 I0 如把它理想化 则有 但不是断开 故常称为虚断 0 I 故可知本电路中 U 且 I所以有 0 0 UU fi I 3 4 i U R R U 2 3 上式表明 输出电压与输入电压成比例运算关系 式中的负号表示与反相 U i U 电路的电压放大倍数为 3 5 2 3 R R U U A i uf 利用反相比例放大器可实现对交直流输入信号的放大 且电路结构简单 只需要调 节和阻值即可实现调节电压放大倍数 图中运放的同相输入端接有电阻 参数 2 R 3 R p R 选择时应使两输入端外接直流通路等效电阻平衡 即 静态时使输入级偏 32 R RRP 置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器的两个输入端的外接电阻上产生相等的 压降 以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响 故又称为平衡电阻 P R 根据本设计系统需要 接收传感器输出电压很小 数十毫伏 故分别取 KR1 2 即放大电路将输入信号放大 200 倍 KR200 3 KRP1 3 3 单片其他电路设计 3 3 1 LCD 显示部分 本设计显示部分采用字符型 TC1602 液晶显示所测距离值 TC1602 显示的容量为 2 行 16 个字 液晶显示屏有微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻巧 使用方便等诸 多优点 与数码管相比 显得更专业 美观 使用时 可将 P0 与 LCD 的数据线相连 P2 口与 LCD 的控制线相连 如图所示 18 其中 TC1602 第 4 脚 RS 为寄存器选择 第 5 脚 RW 为读写信号线 第 6 脚 E 为 使能端 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 这里要注意的是 为了布线方便 单片机端的 D0 D7 是接到 LCD 602 的 D1 D0 正好相反 因此在编写软件时需要 做处理 使读取正确 3 3 2 报警部分 采用一个蜂鸣器 由 P1 2 输出一定频率的信号 在连接到蜂鸣器之前 经过一个 三极管 9012 的放大 报警部分的连线 如图 3 10 所示 图 3 10 报警电路 图 3 9 TC1602 液晶显示电路 19 3 4 本章小结 本章主要介绍了基于单片机的超声测距系统的具体硬件设计电路 对其中主要硬件 单元 发射电路 接收电路 检测电路以及显示电路的设计给出原理图并进行了分析计 算 第 4 章 软件设计和测量结果分析 4 1 系统软件设计 系统程序结构 1 DS18B20温度传感器接口模块 分为初始化程序 写入命令以及读取子程序等部 分 2 基于 YB1602 的显示模块 分为初始化子程序 写入子程序以及显示子程序 3 温度补偿与距离计算模块 分为超声波发送控制程序 接收处理程序 温度补 偿子程序等 4 本次设计使用 C 语言编写程序 C 语言相比汇编有许多的优势 编译器使用 Keil Version2 进行程序编译 Keil 功能强大使用方便 主程序 分为系统初始化 按键处理以及各个子程序的调度管理等部分 如图 4 1 所示描述了各个模块的关系 20 图 4 1系统软件方框图 系统主程序 本设计主程序的思想如下 1 温度为两位显示 距离为四位显示单位为 mm 2 温度每隔900ms 采样一次 DS18B20在12位精度下转换周期为750ms 故900ms 满 足该速度要求 超声波每隔60ms 发送一次 3 按键 S 为测量启动键 4 系统采用 AT89S52的内时钟 12MHz 5 没有使用看门狗功能 6 超声波发送一定时间后才开始启动检测 避免直达信号造成误判 所以系统最 小测量约为 112mm 4 2 外部中断子程序 如图所示 中断服务程序是响应单片机的外部中断 在系统主程序中 发射的 4OKHz 脉冲信号遇到障碍物反射后 经接收检测电路产生外中断信号至单片机 在中 21 断服务程序中 首先进行必要的现场保护 再把进入中断服务程序处的计数值读出并对 该数据进行处理 计算得到相应的距离值 同时转换为十进制 最后送到 P2 口显示输 出 4 3 定时器中断子程序 定时器中断子程序流程图如图 4 2 所示 由于 51 单片机是 16 位定时器 最大计时 时间为 65536us 当测量的距离很远的时候 定时器就会发生溢出 所以必须对溢出中断 进行相应的设置才能使得单片机正常工作 同时由于电路的测量距离有限最远为 5 米 当测量距离超出 5 米时 接收探头就不能检测回波 即不能产出外部中断更不可能关闭 定时器 图4 2 定时中断子程序流程 定时中断 关闭定时器 定时器初始化 发射脉冲串 打开定时器 返回 22 4 4 实现重要功能的程序分析 4 4 1 实现温度读取功能 uint Read Temperature void 读取温度 返回整数值 uint c reset 复位 18b20 芯片 tu 0 先置位温度正负标示为正 if r write 0 xCC 跳过多传感器识别 s