测距系统的设计.doc

摘 要由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现.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,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用.为了使移动机器人能自动避障行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向).。超声波是一种频率在20KHz以上的机械波，在空气中的传播速度约为340 ms(20C时)。超声波可由超声波传感器产生，常用的超声波传感器两大类：一类是采用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波，目前较为常用的是压电式超声波传感器。由于超声波具有易于定向发射，方向性好，强度好控制，对色彩、光照度不敏感，反射率高等特点，因此被广泛应用于无损探伤，距离测量、距离开关、汽车倒车防撞、智能机器人等领域。关键词：超声波 传感器 单片机ABSTRACTDue to the strong ultrasonic directivity slowly, and energy consumption in a medium transmission distance is farther, thus ultrasonic often used for distance measurement, such as rangefinder and material level measurement instruments can be realized by ultrasonic sound wave test. Using super fast, convenient, is often simple calculation, easy to achieve real-time control, and in the measurement precision can reach in industrial practical requirement, so in mobile robot developed on the also widely application. In order to make mobile robots can automatic obstacle avoidance walking, he must be equipped with distance measuring system, in order to make its way from disabled that gets timely distance information (distance and direction). Ultrasound is a kind of frequency wave in the above 20KHz in air, the velocity is about 340 m/s (20 C). Ultrasonic by ultrasonic sensors can be produced, the ultrasonic sensors used two kinds: one kind is to use electrical way in producing ultrasonic, one kind is currently producing ultrasonic, mechanical way is relatively commonly used piezoelectric type ultrasonic sensors. Because of ultrasonic is easily beaming, directional good, good intensity control of color, light, not sensitive, reflectivity higher characteristic, therefore is widely used in NDT, distance measurement, distance switch, automobile reverse impact-proof, intelligent robot, etc.keywords: ultrasonic sensors and single-chip microcomputer目 录引言.11.测距系统的说明1.1测距原理.11.2应用领域.11.3使用注意事项.12.总体设计方案2.1设计思路.22.2总体设计框图.33.主要元件介绍分析3.1传感器的分析.33.2LM567.43.3数码管.44.程序设计 4.1超声波测距仪算法设计 .54.2超声波发生子程序 .54.3超声波中断程序.54.4流程图 .64.5软硬件调试及性能.6结论.7致谢辞.7参考文献.77引 言 随着现代工业的发展,超声波检测技术得到了越来越广泛的应用.其中超声波测距是一种利用超声波的可定向发射,指向性好的特点,结合电子计数等微电子技术来实现的非接触检测方式,只使用中不受光线,电磁波,粉尘等因素的影响,加之信息处理简单,成本低,速度快,在壁障,车辆的定位与导航,液位测量等领域应用更为广泛.1、测量系统说明1.1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，必须产生超声波和接收超声波。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以具有发送和接收的双重作用。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，即在发生超声波的时候，将电能转换，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声波振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。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，即D=ct/2。其中D为传感器与被测障碍物之间的距离，c为声波在介质中传输速率。在空气中声波传输速率为c=m/s,其中T为绝对温度,=331.4m/s.在测量精度不是很高的情况下，一般认为c为常数340m/s.1.2应用领域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,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用.为了使移动机器人能自动避障行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的距离信息(距离和方向).1.3 使用注意事项DISTO及其他手持式激光测距仪，由于采用激光进行距离测量，而脉冲激光束是能量非常集中的单色光源，所以在使用时不要用眼对准发射口直视，也不要用瞄准望远镜观察光滑反射面，以免伤害人的眼睛。一定要按仪器说明书中安全操作规范进行测量。野外测量时不可将仪器发射口直接对准太阳以免烧坏仪器光敏元件。2、总体设计方案2.1设计思路单片机的外围电路图如图2-1所示，显示电路由单片机控制七段数码管进行显示，采用数字温度传感器DS18820对环境温度进行检测，从而对超声波的传播速度进行温度补偿，提高测量精度。两个按键用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。图2-1 外围电路软件设计包括主程序，定时中断程序和外部中断程序，流程图如图2-2所示。 图a主程序流程图 图b定时中断服务子程序 图c外部中断服务子程序图2-2 软件设计2.2 总体设计框图主程序框图如图2-3所示。图2-3 主程序框图主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作漠视为16位的定时计数器模式，首位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0.然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需要延迟0.1ms后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为344m/s则有：d=（C*T0）/2=172T0/10000cm.其中T0为计数器T0的计数值。测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED，然后再发超声波脉冲重复测量过程。 本设计的整体框图如图1所示，主要由超声波发射，超声波接收与信号转换，按键显示电路与温度传感器电路组成。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，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离S=CT2，式中的C为超声波波速。在常温下，空气中的声速约为340ms。由于超声波也是一种声波，其传播速度C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。因本系统测距精度要求很高，所以通过对温度的检测对超声波的传播速度加以校正。超声波传播速度确定后，只要测得超声波往返的时间，如图2所示，即可求得距离。这就是超声波测距系统的基本原理。3、主要元件介绍分析3.1 传感器的分析可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应);它们的用途;它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。3.2 LM567 567音调解码器内含锁相环，可以广泛用于BB机、频率监视器等各种电路中。音调解码器 本文讨论锁相环电路，介绍NE567单片音调解码器集成电路。此音调解码块包含一个稳定的锁相环路和一个晶体管开关，当在此集成块的输入端加上所先定的音频时，即可产生一个接地方波。此音调解码器可以解码各种频率的音调。例如检测电话的按键音等。此音调解码器还可以用在BB机、频率监视器和控制器、精密振荡器和遥测解码器中。3.3数码管数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管要正常显示，就要用驱动电器来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要58=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。4、程序设计4.1 超声波测距仪算法设计 本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同.40kHz 脉冲的产生与超声波发射测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。 PUZEL：MOV 14H, #12H；超声波发射持续200ms HERE：CPL P1.0 ；输出40kHz方波NOP ；NOP ；NOP ；DJNZ 14H，HERE；RET前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。4.2超声波发生子程序 子程序的概念:在一个加工程序中，如果其中有些加工内容完全相同或相似，为了简化程序，可以把这些重复的程序段单独列出，并按一定的格式编写成子程序。主程序在执行过程中如果需要某一子程序，通过调用指令来调用该子程序，子程序执行完后又返回到主程序，继续执行后面的程序段。4.3超声波中断程序中断系统是计算机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统的应用大大提高了计算机效率。不同的计算机其硬件结构和软件指令是不完全相同的，因此，中断系统也是不相同的。计算机的中断系统能够加强CPU对多任务事件的处理能力。中断机制是现代计算机系统中的基础设施之一，它在系统中起着通信网络作用，以协调系统对各种外部事件的响应和处理。中断是实现多道程序设计的必要条件。 中断是CPU对系统发生的某个事件作出的一种反应。 引起中断的事件称为中断源。中断源向CPU提出处理的请求称为中断请求。发生中断时被打断程序的暂停点成为断电。CPU暂停现行程序而转为响应中断请求的过程称为中断响应。处理中断源的程序称为中断处理程序。CPU执行有关的中断处理程序称为中断处理。而返回断点的过程称为中断返回。中断的实现实行软件和硬件综合完成，硬件部分叫做硬件装置，软件部分称为软件处理程序。4.4流程图 流程图：使用图形表示算法的思路是一种极好的方法，因为千言万语不如一张图。流程图在汇编语言和早期的BASIC语言环境中得到应用.相关的还有一种PAD图，对PASCAL或C语言都极适用。流程图编写基本原则1.所要编写的流程，是实现要要有相关作业标准的获制度。 2.涉及的流程流向是单向流的，明确的指向。3.对于业务中一切相关事务，务求岗位/部门职能划分明确，职责描述清晰，避免产生歧义。流程图中常用的模块1.在编写流程图前，对流程的实现要有相关制度要求或制定基本假设。2.业务流程的流向只能是单向流，要有明确的指向。3.对于业务中一切相关事务，务求岗位/部门职能划分明确，职责描述清晰，避免产生歧义。基本模块的使用说明，开始中止符：用于标注某项流程图的开始与结束的控制点 动作：流程图中的主要部分，用于描述这个岗位/部门需要完成的作业，但只能用于描述作业内容，不能用于说明事件。文档：不能单独作为节点使用，只作为传输过程或某项作业产生的结果。基本模块的使用说明，判断：要明确判断的内容，判断的结果只能是是或否的回答，不能出现是和否外的第三种答案，标注：在某项动作中，对该动作有任何要求或注释时，用此模块标注。相关子流程：在某业务流程中涉及到的与本流程不相关的其他业务流程，可以相关子流程方式表现而不必详述。跨岗位/部门业务流程。编写流程前，要明确各岗位/部门在该业务流程中具体职能，将相关作业放置在发出该作业的相应部门栏目。业务在不同岗位/部门之间流转时，关注对切换节点的动作描述，若单凭动作不能说清，需要加标注说明4.5软硬件调试及性能软件表面上是指一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。一般来讲，软件被划分为系统软件、应用软件和介于这两者之间的中间件。其中，系统软件为计算机使用提供最基本的功能，但是并不针对某一特定应用领域。而应用软件则恰好相反，不同的应用软件根据用户和所服务的领域提供不同的功能。简言之，软件就是计算机中的各种计算程序。 应用软件和介于这两者之间的中间件。其中，系统软件为计算机使用提供最基本的功能，但是并不针对某一特定应用领域。而应用软件则恰好相反，不同的应用软件根据用户和所服务的领域提供不同的功能。简言之，软件就是计算机中的各种计算程序。结 论本系统由于发射功率和超声波发射探头的原因，测量距离在10cm到500cm之间，