超声波传感器的设计与应用

传感器课程设计传感器课程设计 2010 级 题目 题目 超声波传感器的设计与应用 学员姓名 学员姓名 xxx 学号 学号 201003011020 学员姓名 学员姓名 xxx 学号 学号 201003011027 学员姓名 学员姓名 xxx 学号 学号 201003011003 xxx 二二 一三年九月一三年九月 第 1 页 目目 录录 第一章 超声波传感器简介 1 1 超声波传感器是什么 2 1 2 超声波传感器应用前景 2 第二章 超声波传感器设计 3 2 1 设计目标描述 3 2 2 设计指标 3 2 3 传感器结构概述 4 2 4 传感器设计原理 4 2 4 1 物理部分设计 4 2 4 2 电路部分设计 7 第三章 硬件设计 8 3 1 单片机设计 8 3 2 传感器设计 11 3 3 单片机与传感器连接 12 第四章 软件设计 13 4 1 总体设计思路 13 4 2 软件程序 13 第五章 测试结果与分析 21 第六章 结论 22 参考文献 24 第 2 页 第一章 超声波传感器的设计 1 1 超声波传感器是什么 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种 振动频率高于声波的机械波 由换能 晶片在电压的激励下发生振动 产生的 它具有频率高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够 成为射线而定向传播等特点 超声波对液体 固体的穿透本领很大 尤 其是在阳光不透明的固体中 它可穿透几十米的深度 超声波碰到杂质 或分界面会产生显著反射形成反射成回波 碰到活动物体能产生多普勒 效应 因此超声波检测广泛应用在工业 国防 生物医学等方面 1 2 超声波传感器应用前景 随着科学技术的快速发展 超声波将在传感器中的应用越来越广 在 人类文明的历次产业革命中 传感技术一直扮演着先行官的重要角色 它 是贯穿 各个技术 和应用领域的关键技术 在人们可以想象的所有领域中 它几乎无所不在 传感器是世界各国发展最快的产业之一 在各国有关研 究 生产 应用部门的共同努力下 传感器技术得到了飞速的发展和进步 但就目前技术水平来说 人们可以具体利用的传感技术还十分有限 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 声波传感器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 第 3 页 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 未来的超声波传感器将与自动 化智能化接轨 与其他的传感器集成和融合 形成多传感器 随着传感器 的技术进步 传感器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 面貌一新的传感器将发挥更大的作用 第二章 超声波传感器设计 2 1 设计目标描述 此次 我们所设计的超声波传感器预计 将 应用在日常生活中一些电子产品之中 所 以 我们所设计的超声波传感器很多相应的指 标 要求不会很高 从而相应降低成本 而在 体积方面也不是特别小 2 2 设计指标 工作电压 DC 5 V 工作电流 15 mA 工作频率 40 Hz 工作温度 10 70 工作频率 40kHz 最远射程 4 m 最近射程 2 cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10 us 的 TTL 脉冲 图 2 1 超声波传感器 第 4 页 输出反馈信号 与射程成比例的TTL 输出信号 2 3 传感器结构概述 如图 2 3 所示 我们所设计的超声波传感器的结构主要部分是一个锥 形振子和双压电陶瓷晶片 当压电陶瓷晶片的两极外加电压脉冲信号时 压电晶片利用逆压电效应产生振动 当脉冲信号的频率等于压电晶片的固 有频率时 将产生共振效应 从而产生超声波 超声波以疏密形式传播传 给接收器 接受器中的压电晶片也会相应振动 利用压电效应产生电信号 实际上这种变化的电信号是很小的 因此要用放大电路去放大 2 4 传感器设计原理 2 4 1物理部分设计 压电材料是超声波传感器的关键部分 现在市场较多使用压电陶 瓷作为超声波传感器的敏感原件 那么 压电陶瓷的振动模式和它的具体 材料将决定超声波的谐振频率 由于我们所需的工作频率是 40kHz 可选的震动模式有两种 一个是薄长条的长度伸缩振动模式 其 图 2 3 传感器结构示意图 第 5 页 振动的频率范围是 15 200kHz 另一个是圆片厚度弯曲振动模式 其 振动的频率范围是 2 70kHz 我们选择第二种 因为它的范围更接近 于是 有 2 是谐振频率 是频率常数与材料有关 t 是厚度 D 是直径 当把两个厚度相同 有电极的圆形压电陶瓷片 粘连在一起时 可以 产生弯曲振动 极化方向相反时 以串联方式接入电源 在电场激励下 整个陶瓷片就会产生厚度弯曲振动 我们在下面的公式推导中 我们以 矩形 正方形 模拟圆形 对于薄板的小挠度弯曲振动其形变分量可表 示为 2 2 2 2 2 2 其中 u 为板的挠度 则其压电方程可以简化为 11 12 3 1 12 11 3 1 3 1 33 其中 Ez 及 Dz 为厚度方向的电场及电位移分量 和是 11 12 弹性柔顺常数 是压电应变常数 为自由节点常数分量 令 3 1 33 称为机械耦合系数 则 11 12 3 1 1 第 6 页 11 12 3 1 2 由 1 得 3 1 11 12 3 由产生的弯矩可表示为 2 2 4 计算此积分 将 3 代入 4 得到 3 12 11 12 2 2 5 根据力矩平衡方程 在不计转动的情况下可得 3 12 11 12 3 3 6 由此可得到矩形薄板绕y 轴的弯曲振动方程 4 4 1 2 2 2 2 7 由 7 可得矩形薄板绕y 轴弯曲振动的位移分布 cosh s inh c os c os 8 同理做类似的推导 我们也可以得到矩形薄板绕x 轴的弯曲振动的位 移方程 并最终得到共振频率的方程 2 2 2 2 1 2 9 当薄板压电陶瓷振子的材料 几何尺寸及振动模式给定后可得出关于频率 的根 我们所使用的材料是钛酸铅 其密度是7 7g 居里温度是 3 520 相对介电常数150 压电系数是 6 8 是 56 弹性系数为 3 3 7 8 品质因数是1300 通过这些参数 推算出我们的传感器的直径大概为 第 7 页 9 3mm 厚度约是0 7mm 由此根据最开始的频率公式可以算出我们的压电 振子的实际共振频率为38kHz 物理部分我们从给出的条件开始 由材料所处运动状态求得材料尺寸 在 由最初公式 得到实际频率是多少 来说明物理设计过程 2 4 2电路设计部分 压电元件在受到敏感轴向外力作用以后 会在电极表面产生不同极性的电 荷 因此 他相当于一个电荷器 又相当于一个平板电容器 于是它就有两种 等效电路 一种是电荷源等效电路 另一种是电压源等效电路 如图2 4 压电式传感器相当于平板电容器 所以内部阻抗很高 因此输出信号很小 不能直接显示和记录 需要进行阻抗变换和放大 所以测量电路的作用是 阻抗变换器 将高阻抗变为低阻抗 信号放大器 进行电压放大和电荷 放大 第三章 硬件设计 3 1 单片机 设计 图 2 4 压电元件等效电路图 第 8 页 本次实验 选择 mini80E 开发板 如图3 1 超声波传感器测距 利用了 它 如下的功能 1 8 个高亮 数码管显示 用于显示所测的距离 第二位为千位 依次第三位为百位 第四位 为十位 第五位为个位 数据的单位为cm 所测的距离在2 400cm 之间 2 8 个高亮发光二极管 跑马灯 指示灯 红绿灯 图 3 1 开发板实物图 图 3 2 数码管原理及实物图 第 9 页 低电平时LED 点亮 高电平时LED 熄灭 LED2 为传感器的控 制口 一直处于低电平状态 亮红灯 实验用 LED3 8 指示距离的 远近 当距离在 0 40cm 时 LED3 点 亮 当距离 在 40 80cm 时 LED4 点亮 同时其他灯熄灭 当距离在当距离在80 120cm 时 LED5 点亮 同时其他灯熄灭 以此类推 120 160cm 时 LED6 点亮 160 200cm 时 LED7 点亮 160 200cm 时 LED8 点亮 3 独立按键 独立按键软件操作简单 主要检测按键连接的IO 口是否为 图 3 3LED 灯原理及实物图 图 3 4 独立键盘原理及实物图 第 10 页 0 为 0 表示按键按下 实验利用按键完成数据的保持与重新测距功能 当 s2 按下时 显示在数码管上的数据将保持不变 便于检测者记录数 据 当 s1 按下时 传感器开始重新测距 并显示新的数据 4 定时器 利用 16 位的定时器 实现时间的累加 利用发出超声波与接收 的时间差来计算出所测的距离 5 STC12C5A60S2 芯片 STC12C5A60S2 单片机 具有如下特点 1 具有电源指示 2 所以 I O 口以引出 3 可以实现与电脑串口通信 4 可以实现双串口通讯 5 具有上电复位和手动复位 6 附带 SD 卡读写接口 7 支持 STC 串口下载 8 双串口通讯 注 只能使用串口一 下载程序 9 八路 LED 灯 注 可拔出短路帽 断开LED 灯 10 可端子接线供电 可排针引电 11 7805 供电 输入电压范围宽 且确保AD 参考电压准确 STC12C5A60S2 单片机 的 工作电压 为 直流 4 5 5 5 伏 或者USB 供电 6 标准的 RS232 通信接口 PC 通信 图 3 5 STC 实物图 图 3 6 RS232 实物 图 第 11 页 RS232 芯片用于电压转换 将电脑电平转换成TTL 电平 在开 发板上我们主要使用了三根线 发送线 TXD 接收线RXD 地线 GND 它主要用于基础的串口通信 使用串口调试程序进行调试 和 STC 单片机程序的在线下载 7 USB 电源输入 使用了 USB 将电脑与单片机相接 用于直流电源供电 电压为 5V 3 2 传感器设计 采用了 HC SR04 超声波 传感器 如图 3 10 图 3 7 通讯接口原理图 图 3 8 USB 电源输入原理图 图 3 9 USB 电源输入实物图 第 12 页 图 3 11 开发板接线图 使用方法 工作时 一个控制口发一个10US 以上的高电平 就可以在 接收口等待高电平输出 一有输出就可以开定时器计时 当此口变为低 电平时就可以读定时器的值 此时就为此次测距的时间 方可算出距离 3 3 单片机与传感器连接 用了杜邦线 将传感器与单片机相连 一共四根线 地线 电源线 控制 线与接收线 其中 定义P1 0 口为 控制 线 控制传感器超声波的发射 P3 2 口为接收线 用于接收遇到障碍物返回的超声波 电源线与开发板的5v 电源接口相连 地线与开发板的地线相连 如图 3 11 图 3 10 超声波传感器实物图 第 13 页 第四章 软件设计 4 1 总体设计思路 超声波测距的原理是借助于超声波脉冲回波渡越时间法来实现的 因此 主要由定时器来完成时间的累加 将超声波的发射时间与被接收到的 时间间隔得到并存放在寄存器中 再由公式计算出传感器到目标的距离 并 显示在数码显示管上 以下为总体设计框图 4 2 软件程序 一线式超声波测距模组测试代码 发射超声波 计算距离 接收超声波 定时器计时 记下时间 显示 初始化 第 14 页 MCU STC10F04XE 晶振 4M 说明 程序中我们读回测量的距离并通过六个 LED 灯来显示出来 2 40 厘米 蜂鸣器响 第一个灯及数码管闪烁 40 80 厘米 第二个灯亮 80 120 厘米 第三个灯亮 120 160 厘米 第四个灯亮 160 200 厘米 第五个灯亮 200 240 厘米 第六个灯亮 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar distance H0 distance L0 unsigned char const dofly 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 显示段码值 01234567 unsigned char code seg 0 1 2 3 4 5 6 7 分别对应相应的数码管点亮 即位码 特殊寄存器定义 sfr CLK DIV 0 x97 STC MCU IO register define total way sfr P1M1 0 x91 sfr P1M0 0 x92 sfr P3M1 0 xB1 sfr P3M0 0 xB2 IO 口引脚说明 sbit Trig0 P1 0 sbit Echo0 P3 2 sbit led1 4 P1 1 sbit led4 8 P1 2 sbit led8 12 P1 3 sbit led12 16 P1 4 第 15 页 sbit led16 20 P1 5 sbit led20 24 P1 6 sbit SPK P1 1 void IO inint void void sys inint void void delay nop uint timer void led out void 函数声明 void DelayUs2x unsigned char t 函数声明 void DelayMs unsigned char t void IO inint void CLK DIV 0 x02 系统时钟四分之一分频 P1M1 0 x00 0000 0000 P1M0 0 x1e 0001 1110 P1 0 x00 0000 0000 P3M1 0 x04 0000 0100 P3M0 0 x00 0000 0000 定时中断初始化设定 void sys inint0 void TMOD 0 x01 TH0 0 x00 TL0 0 x00 TR0 0 第 16 页 IT0 1 EX0 1 EA 1 延时子程序 void delay unsigned int cnt while cnt NOP 延时 void delay nop uint timer while timer nop 外部中断 0 用做判断回波电平 void int0 routine0 void interrupt 0 EX1 0 distance H0 TH0 取出定时器 0 的值 distance L0 TL0 取出定时器 0 的值 EX0 0 关闭外部中断 void DelayUs2x unsigned char t while t LED 输出及数码管控制 void led out0 void 第 17 页 uint distance0 unsigned char i int j int display 5 distance0 distance H0 测量结果的高 8 位 distance0 8 放入 16 位的高 8 位 distance0 distance0 distance L0 与低 8 位合并成为 16 位结果数据 distance0 4 因为定时器为 4 分频 distance0 58 一厘米就是 58us for j 0 j 100 j display 0 distance0 1000 display 1 distance0 1000 100 display 2 distance0 1000 100 10 display 3 distance0 10 1 for i 0 i 2 for i 0 i40 else led20 24 1 void DelayMs unsigned char t while t DelayUs2x 245 大致延时 1mS DelayUs2x 245 第 20 页 系统主程序 void main void IO inint sys inint0 while 1 Trig0 1 delay nop 20 Trig0 0 while Echo0 TR0 1 启动定时器 0 EX0 1 打开外部中断 1 while TH0 40 TR0 0 关闭定时器 1 TH0 0 定时器 1 清零 TL0 0 定时器 1 清零 led out0 第五章 测试结果与分析 如表 6 1 我们用超声波传感器测了距离 并记录下了实验现象 数码 管显示 数据 cm 实验现象 第 21 页 2 40LED2 点亮 并闪烁 为红色 蜂鸣器响 频率与灯闪烁的频率一致 40 80LED3 一直 亮 为黄色 蜂鸣器不响 80 120LED4 一直 亮 为黄色 蜂鸣器不响 120 160LED5 一直 亮 为绿色 蜂鸣器不响 160 200LED6 一直 亮 为绿色 蜂鸣器不响 200 240LED7 一直 亮 为白色 蜂鸣器不响 240 280LED8 一直 亮 为白色 蜂鸣器不响 280 415LED2 8 都不亮 蜂鸣器不响 表 6 1 实验分析 LED 灯是用来表示距离的远近的 程序设计每隔40cm 换一个灯亮 并且设 计了一个蜂鸣器 间距在2 40cm 也就是最短间距时 蜂鸣器响 用于表示警告 由于蜂鸣器的频率与灯管闪烁的频率是一个频率 所以它们变化是一致的 所设计的传感器的测量范围为2 415cm 当距离小于2cm 时 数码管数据显 示为 00000 原因是超声波传感器有两个控制 端 发射 端 与接收 端 它们虽 然相近但有一定距离 当障碍物太近时 发射 端 发射出的超声波遇障碍物后 直线返回 接收端 没有 接收到超声波 所以显示为00000 由实验得它所能 测得的最小距离为2cm 当距离大于415cm 时 数码管数据显示也为 00000 这是由于超声波在传播中有能量衰减 当距离太远时 超声波的能 量衰减到不足以使接受端 产生相应的高电平 所以数据显示产生相应的高 电 实际距离 显示距离 1515151515151415 3029293029293030 4544444445464545 6058585958595858 7574737574737474 第 22 页 平 所以数据显示也为00000 此外 我们做了所测实际距离与显示距离的对照 如表6 2 表 6 2 实验分析 由于 发射端和接收端有一定的距离 所以超声波的来去传播路线有一个夹角 如图 我们在 15cm 的时候 将程序调试 使数据显示为15cm 当距离变远时 夹 角变小 此时我们仍然用原来的公式计算 必然会带来误差 而且是数据会小于 实际的数据 第六章 结论 在本次传感器的设计中 我们学到了很多知识 首先 我们学到了如何查找 资料 我们查找并读阅了 很多相关资料 了解到了传感器的基本设计原理 又从 超声波的性质出发 设计出了超声波传感器 提高了我们的自学能力 在这期间 最难的就是公式推导 每一步的公式都需要很深的数学功底 在测试过程中 最主要的是将传感器与单片机的正确连接 并通过单片 机对传感器传回来的信号进行相应的操作 在测试 过程中我们对单片机有了 更进一步的熟悉并能进行相应的应用 我们学习了开发板上的每一个模块的功 能 并尽可能的将开发板上的模块都用上 我们用到了开发板中的数码管 蜂 鸣器 流水灯 独立按键等模块 首先将传感器测得的距离通过数码管显 示 出来 由于原先在数字电路基础课程中用实验模块搭过 所以对数码管的基本原