超声波测距仪设计毕业论文.doc

1 超声波测距仪设计毕业论文超声波测距仪设计毕业论文 目目 录录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 1 1 课题背景及设计意义 1 1 2 本课题研究的主要内容 2 第第 2 2 章章 系统方案论证系统方案论证 4 2 1 超声波测距仪的设计原理 4 2 2 超声波测距技术选型 4 2 3 控制器选型 6 2 3 1 单片机选型 7 2 3 2 AT89S51 主要性能参数及功能 8 2 4 超声波发生器选型 8 2 5 超声波接收传感器选型 9 2 6 显示单元选型 9 2 7 语音播报电路选型 10 2 8 温度传感器的选型 10 第第 3 3 章章 系统的硬件结构设计系统的硬件结构设计 1212 3 1 单片机最小系统 12 3 2 超声波发射电路 13 3 3 超声波检测接收电路 15 3 4 显示单元电路 16 3 5 语音播报电路 18 3 6 电源电路设计 20 第第 4 4 章章 系统的软件设计系统的软件设计 2222 4 1 超声波测距仪的算法分析 22 4 2 主程序流程图 22 4 3 超声波发生子程序和超声波接收程序 24 2 第第 5 5 章章 系统调试仿真系统调试仿真 2626 5 1 PROTEUS 软件简介 26 5 2 仿真调试结果 27 第第 6 6 章章 总结与展望总结与展望 2929 参考文献参考文献 3030 致致 谢谢 3131 附录附录 程序清单程序清单 3232 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物 生存的手段 也就是由生物体发射不被人们听到的超声波 20kHz 以上的机械波 借 助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超 声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法 本文阐述的是利用超声波进行一些特 殊场合距离测试 1 11 1 课题背景及设计意义课题背景及设计意义 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 但就目前的 急速水平来说 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 满足日益发展的社会需求 但是 由于历史原因合成时间的许多不 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 箱涵的排污疏通对打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 超声的研究和发展 与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关 1883 年 Galton 首次制成超声气哨 其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流 吹动圆形 刀口振动形成共振腔 从而产生超声 此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械 型超声换能器 由于这类换能器成本低 所以经过不断改进 至今仍广泛地用于超 声处理技术中 20 世纪初 电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制 成各种机电换能器 1917 年 法国物理学家 Paul Langevin 用天然压电石英制成了夹 心式超声换能器 并成功地应用于水下探测潜艇 随着军事和国民经济各部门中超 2 声应用的不断发展 又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器 以及各种不同用途的 电动型 电磁力型 静电型等多种超声换能器 1 材料科学的发展 使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦 合系数高 价格低廉 性能良好的压电陶瓷 人工压电单晶 压电半导体以及塑料 压电薄膜 PVDF 2 等 产生和检测超声波的频率 也由几十千赫提高到上千兆赫 产 生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波 扭转波 弯曲波 表面波等 如频率 为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达 电子通信和成像技术等 方面 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物 生存的手段 也就是由生物体发射不被人们 听到的超声波 20kHz 以上的机械波 借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的 超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法 由于超声波的速度相对于光速要小 的多 其传播时间就比较容易检测 并且易于定向发射 方向性好 强度好控制 因而人类采用仿真技能利用超声波测距 超声波测距是一种利用声波特性 电子计 数 光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法 它在很多距离探测应用中有 很重要的用途 包括非损害测量 过程检测 机器人检测和定位 以及流体液面高 度测量等 超声波方法在某些方面具有突出的优点 1 超声波对色彩 光照度不敏感 可用于识别透明及漫反射性差的物体 如 玻璃 抛光体 2 对外界光线和电磁场不敏感 可用于黑暗 有灰尘或烟雾 电磁干扰强 有毒等恶劣环境中 3 超声波传感器结构简单 体积小 费用低 信息处理简单可靠 易于小型 化和集成化 因此超声检测法己越来越引起人们的重视 被广泛应用在液位测量 机械手控制 车辆自动导航 物体识别等方面 特别是在空气测距中 由于空气中 波速较慢 其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来 具有很 高的分辨力 3 1 21 2 本课题研究的主要内容本课题研究的主要内容 本次课题设计的目的为 具有超声波测距功能 测量距离 0 20m 5 00m 测距精 度 1 具有测量距离数值无线传输功能 实时显示测量的距离 显示格式为 X XXm 汉字提醒显示 距离在 0 40m 1 00m 显示 危险距离 并用红色 LED 灯指示 距离在 1 00m 2 00m 显示 保持距离 并用黄书 LED 灯指示 距离在 2 00m 以上 显示 安全距离 并用绿色 LED 灯指示 具有实时语音播报功能 实时播报测量距 离数值 格式 X XXm 实时播报时间间隔 10s 实时播报声音清晰明亮 无明显失 真 在 1m 距离处人耳能准确分辨 语音播报要与显示同步 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 2 本设计主要是基于 AT89S51 芯片为核心的超声波测距仪 74LS04 组成的超声波 发射电路 并有超声波处理模块 CX20106A 液晶显示等器件组成 包括单片机系统 超声波发射电路 超声波接收电路 单片机复位电路 LCD 显示电路语音播报电路 主要实现超声波测距并指示功能 依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路 本 系统成本低廉 功能实用 本设计框图如图 1 1 所示 超声波发射电路 超声波接收电路 控制电路 计数显示电路 4 图图 1 11 1 超声波测距系统框图超声波测距系统框图 4 第第 2 2 章章 系统方案论证系统方案论证 本章节阐述超声波测距仪的设计原理 测距技术选型 通过对比各类型控制器 选择单片机为控制器并最终选择 AT89S51 单片机 并说明了选择原因以及功能 特 性 在超声波发生器的选择上选用了适合近距离测量的电气方式超声波发生器并采 用反射波方式进行测距 超声波接收传感器采用了性价比较高的压电晶片 其工作 频率 灵敏度下文将会介绍 显示单元通过分析各类型显示屏采用了 12864 液晶显 示屏 2 2 1 1 超声波测距仪的设计原理超声波测距仪的设计原理 超声波测距仪工作原理 单片机发出 40khz 的信号 经放大后通过超声波发射 器输出 超声波接受器将接受到得超声波信号经放大器放大 用锁相环电路进行检 波处理后 启动单片机中断程序 测得时间为 t 再由软件进行辨别 计算 得出距 离数并显示和送语音播报模块播报 其计算公式为 S 340t 2 2 1 2 2 2 2 超声波测距技术选型超声波测距技术选型 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 340 米 秒 由控制器负责计时 控制单元使用 12 0MHZ 晶振 所以此系统的测量精度 理论上可以达到毫米级 3 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 根据设计任务 控制对象和现有条件本系统硬件电路采用由单片机最小系统 5 温度补偿电路 超声波发射电路 超声波接收电路 显示电路无线通信电路以及语 音播报电路构成 本超声波测距仪的具体工作过程如下 单片机控制的振荡源产生 40kHz的频率信号来驱动超声传感器 每次发射包含6个脉冲左右 当第一个超声波脉 冲发射后 计数器开始计数 在检测到第一个回波脉冲的瞬间 计数器停止计数 得到 从发射到接收的时间t 后 单片机读取温度值补偿声速 利用测距公式可计算出被测 距离 同时由无线通信模块将测量数据传到下位机进行显示和语音播报 系统总体 框图如图2 1 图2 2所示 超声波接收放大电路 锁相环检 波电路 定时器单片机控制无线发射器 超声波发射器放大电路 图图 2 12 1 发射模块发射模块 无线 接收 单片机控制 液晶 显示 语音 播报 图图 2 22 2 接收模块接收模块 6 2 3 控制器选型控制器选型 控制器可分为 DSP FPGA 单片机等 本设计通过对比分析选择了单片机作为 整个系统的控制器 下面分别对这三种控制器进行论述 并说明的选择单片机作为 控制器的理由 DSP 控制器 DSP digital signal processor 是一种独特的微处理器 其工作原理 是接收模拟信号 转换为 0 或 1 的数字信号 再对数字信号进行修改 删除 强化 并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式 它不仅具有可编 程性 而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序 远远超过通用微处 理器 是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片 DSP 微处理器 芯片 一般具有如下主要特点 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 2 程序和数据空间分开 可以同时访问指令和数据 3 片内具有快速 RAM 通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 5 快速的中断处理和硬件 I O 支持 FPGA 控制器 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA Logic Cell Array 这样一个概念 内部包括可配置逻辑模块 CLB Configurable Logic Block 输出输入模块 IOB Input Output Block 和内部连线 Interconnect 三个部分 与传统逻辑电路和门阵列 如 PAL GAL 及 CPLD 器件 相比 FPGA 具有不同的结构 FPGA 利用小型查找表 16 1RAM 来实现组合逻辑 每个查找表连接到一个 D 触发器的输入端 触发器 再来驱动其他逻辑电路或驱动 I O 由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序 逻辑功能的基本逻辑单元模块 这些模块间利用金属连线互相连接或连接到 I O 模 块 FPGA 的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的 存储在存储器 单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与 I O 间的联接方式 并最终决定了 FPGA 所能实现的功能 FPGA 允许无限次的编程 单片机控制器 单片微型计算机简称单片机 又称微控制器 嵌入式微控制器 等 属于第四代电子计算机 它把中央处理器 存储器 输入 输出接口电路以及定 时器 计数器集成在一块芯片上 从而具有体积小 功耗低 价格低廉 抗干扰能力 7 强且可靠性高等特点 因此 适合应用于工业过程控制 智能仪器仪表和测控系统 的前端装置 单片机的主要特点有 1 具有优异的性能价格比 2 集成度高 体积小 可靠性高 3 控制功能强 4 低电压 低功耗 通过以上的分析 DSP控制器功能很强大性能也很好 但是对于本设计来说 有些很好的功能可能用不上而且DSP成本较高 而FPGA的性能同样很好 但本设计 有些功能FPGA不能很好的满足 因此控制器的选择为单片机 2 3 12 3 1 单片机选型单片机选型 单片机又分为很多种类 例如AVR 凌阳单片机和51单片机等等 下面对单片 机进行进一步的分析论述 AVR单片机 ATMEL公司研制开发的一种新型单片机 PIC单片机相比具有一系 列的优点 运行速度较快 芯片内部的Flash EEPROM SRAM容量较大 所有型号 的Flash EEPROM都可以反复烧写 全部支持在线编程烧写 多种频率的内部RC振 荡器 上电自动复位 看门狗 启动延时等功能 零外围电路也可以工作 IO口可 以以推换驱动的方式输出高 低电平 驱动能力强 内部资源丰富 一般都集成 AD DA模数器 PWM SPI USART TWI I2C通信口 丰富的中断源等 凌阳单片机 整合了多个常用的功能模块 让我们在进行系统开发的时候不用 外加过多的硬件就可方便的完成一个系统的设计 这就是人们常说的SoC System on chip 技术 耗电少 可以满足很多手提设备 掌上设备低能耗的需求 可方便 的用来实现声音录制 播放 Midi音乐合成和语音识别 可方便的完成一系列乘加 的运数 实现一些数据处理比较容易 芯片里具备在线仿真调试电路 使调试和程 序下载更加方便 也把仿真器和烧录器的成本给节省下来了 51单片机 有优异的性价比 集成度高 体积小 有很高的可靠性 控制作用 强 扩展性能好 非常容易构成各种应用系统 以上三种单片机的开发过程和编程思维都是相似的 AVR单片机功能强大 功 8 耗低 一般小型都可以满足 而凌阳单片机是一款功能强大的语音处理单片机 51 单片机比较基础 成熟 一般教学都用这种单片机 因此 对于本系统的功能特点 和要求 在此选用51单片机作为本系统的控制核心 51 单片机全称 AT89S51 单片机 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含有 4K bytes 的课反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性 存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 AT89S51 单片机可以为您提供许多高性价比的应用场 合 可灵活应用于各种控制领域 由于其集成度高 体积小且可靠性强 有很好的 扩展性能易于构成多种应用系统 所以我们在本次设计里采用 AT89S51 单片机 2 3 22 3 2 AT89S51AT89S51 主要性能参数主要性能参数及功能及功能 AT89S51 单片机性能参数有 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 4K 字节可以 重复擦写 Flash 闪速存储器 1000 吃擦写周期 全静态操作范围为 0Hz 24Hz 三 级加密程序存储器 128 8 字节内部 RAM 32 个可编程 I O 口线 6 个中断源 可 编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 AT89S51 提供以下功能 k 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个 16 位定时器 计时器 一个 5 向量两级中断结构 一个双工串行口 通信 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89S51 可以降至 0Hz 的静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节点工 作模式 空闲方式停止 CPU 的工作 当允许 RAM 定时 计数器 串行口及中断系 统继续工作 掉电式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并禁止其他左右部件工 作直到下一个硬件复位 2 42 4 超声波发生器选超声波发生器选型型 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发生器来实 现 9 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 4 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择 超声波传感器是一种采用压电 效应的传感器 常用材料是压电式陶瓷 由于超声波在空气传播时会有相当的衰减 衰减的程度与频率的高低成正比 而频率高分辨率也高 故短距离测量时应选择高 频率的传感器 而长距离测量时应用低频率的传感器 2 52 5 超声波接收传感器超声波接收传感器选型选型 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片 构成晶片的材 料可以有许多种 晶片的大小 如直径和厚度也各不相同 因此每个探头的性能是 不同的 我们使用前必须预先了解它的性能 超声波传感器的主要性能指标为 工作频率 工作频率就是压电晶片的共振频率 当加到它两端的交流电压的频 率和晶片的共振频率相等时 输出的能量最大 灵敏度也最高 工作温度 由于压电材料的居里点一般比较高 特别时诊断用超声波探头使用 功率较小 所以工作温度比较低 可以长时间地工作而不失效 医疗用的超声探头 的温度比较高 需要单独的制冷设备 灵敏度 主要取决于制造晶片本身 机电耦合系数大 灵敏度高 因此超声波接受传感器应该应用集成电路CX20106A CX20106A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 可以利用它制作超声波检测接收电 路 如图2 3 实验证明用CX20106A接收超声波 无信号时输出高电平 具有很好的 灵敏度和较强的抗干扰能力 适当更改电容CS的大小 可以改变接收电路的灵敏度 和抗干扰能力 此部分电路在集成芯片上 2 62 6 显示单元选显示单元选型型 显示单元是计算机系统开发时使用的主要设备之一 它可将计算机的运算结果 中间结果 存储器地址以及存储器 寄存器中的内容显示出来 从而实现人机对话 10 可以做显示器的有 LED LCD CRT 等 CRT 就是常见的显像管式的显示器 优点 是颜色视觉效果好 视角宽 可靠性高 便宜 缺点是体积大耗电多 有微量的 X 射线辐射 LED 就是发光二极管 LED 一般适合做大屏幕的显示设备 最突出的有 点那就是屏幕尺寸可以不受限制 亮度可以做的很高 其他的如显色性 对比度等 都不如 CRT 显示器 但是考虑到本设计需要显示测量距离 补偿温度以及危险 保持 安全等警告 信号 所以选择采用 128 64 液晶模块 2 72 7 语音播报电路选语音播报电路选型型 语音播报语音芯片有很多种 例如WT1380 WT588D等 WT1380具有多种报 警功能 定时器功能 时钟输出功能 中断输出功能以及语音播报功能 它的语音 功能和万年历功能可以同时工作 主频采用RC振荡 副频采用32 768K晶振精确分 频 可以计算年 月 日 时 分 秒等信息 并可以将时间信息反馈给主控单片 机 因而 WT1380是一款性价比极高的语音时钟芯片 但是本设计不要求芯片有可 以计算年 月 日 时 分 秒等信息的复杂功能 所以播报电路采用WT588D系 列的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片 WT588D系列语音单片机是广州唯创科技有限公司联合台湾华邦共同研发出来 的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片 功能多音质好应用范围广性能稳 定是WT588D系列语音单片机的特长 弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺 陷 MP3控制模式 按键控制模式 按键组合控制模式 并口控制模式 一线串口 控制模式 三线串口控制模式以及三线串口控制I O口扩展输出模式 让应用人员能 将产品投放在几乎可以想象得到的场所 WT588D是一款功能强大的可重复擦除烧 写的语音单片机芯片 WT588D让语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片 机电路 高度集成的单片机技术足于取代复杂的外围控制电路 2 82 8 温度传感器的选温度传感器的选型型 大家知道 声音在不同温度的空气中传播速度是不同的 所以这里要考虑到温 度补偿的问题 11 温度传感器有很多种 例如温度传感器AD590 AD590是美国模拟器件公司生 产的单片集成两端感温电流源 流过器件的电流 mA 等于器件所处环境的热力学 温度 开尔文 度数 AD590的测温范围为 55 150 AD590的电源电压范围 为4V 30V 电源电压可在4V 6V范围变化 电流变化1mA 相当于温度变化 1K AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压 因而器件反接也不会被损坏 输 出电阻为710WM 它的精度高 AD590共有I J K L M五档 其中M档精度最 高 在 55 150 范围内 非线性误差为 0 3 但是考虑到成本问题我选用 TS 18B20 数字温度传感器 该产品采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片封装而成 具有耐磨耐碰 体积小 使用方便 封装形式多样 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域 独特的一线接口 只需要一条口线通信多点能力 简化了分布式温度传感应用 无需外部元件可用数据总线供电 电压范围为 3 0V 至 5 5V 无需备用电源测量 温 度范围为 55 C 至 125 10 C 至 85 C 范围内精度为 0 5 C 温度传感器可编程的分辨率为 9 12 位温度转换为 12 位数字格式最大值为 750 毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制 工业系统 消费 电子产品温度计 或任何热敏感系统 12 第第 3 3 章章 系统的硬件结构设计系统的硬件结构设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路 语音播报电路 温度补偿电 路 无线传输 超声波发射电路和超声波检测接受电路五部分 单片机采用 AT89C51 或其兼容系列 采用 12MHz 高精度的晶振 以获得较稳定的时钟频率 减 小测量误差 单片机用 P3 6 端口输出超声波换能器所需的 40KHz 的方波信号 利用 外部中断 1 口检测超声波接受电路输出的返回信号 显示单元部分采用 12864 液晶 模块 3 13 1 单片机最小系统单片机最小系统 其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作 如图 3 1 所示 单片机最小系 统主要由 AT89S51 单片机 外部振荡电路 复位电路和 5V 电源组成 在外部振荡 电路中 单片机的 XTAL1 和 XTAL2 管脚分别接至由 12MHZ 晶振和两个 30PF 电 容构成的振荡电路两侧 为电路提供正常的时钟脉冲 在复位电路中 单片机 RESET 管脚一方面经 20 F 的电容接至电源正极 实现上电自动复位 另一方面经开 关 s 接电源 其主要功能是把 PC 初始化为 0000H 是单片机从 0000H 单元开始执 行程序 除了进入系统的初始化之外 当由于程序出错或者操作错误使系统处于死 锁状态时 为了摆脱困境 也需要按复位键重新启动 因此 复位电路是单片机系 统中不可缺少的一部分 13 图图 3 13 1 单片机最小系统单片机最小系统 图 3 1 中晶振 Y1 串联 C10 C11 并在 C10 和 C11 之间接地 单片机通电之后 即可运行 当按下 S5 按键时单片机复位 3 23 2 超声波发射电路超声波发射电路 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的 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 5 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 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同 使用时应分清器件上的标志 表表 3 13 1 反相器反相器 74LS0474LS04 参数参数 最大额定值最大额定值 电源电压 0 5 to 7 0V DC 输入电压 1 5 to Vcc 1 5V 直流输出电压 0 5 to Vcc 0 5V 钳位二极管电流 20mA 直流输出电流 每个引脚 输出 25mA 功耗600mW 发射电路主要由反相器 74LS04 和超声波发射换能器 T 构成 如图 3 2 所示 单 片机 P2 7 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 上位电阻 R2 R3 一方面可以提高反向器 74LS04 输出高电平的驱动能力 另一 方面可以增加超声波换能器的阻尼效果 缩短其自由振荡时间 14 图图 3 23 2 超声波发射电路超声波发射电路 3 33 3 超声波检测接收电路超声波检测接收电路 超声波接收电路CX20106A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 可以利用它制作超声波检测接收电路 实验证明用CX20106A接收超声波 无 信号时输出高电平 具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力 适当更改电容C16的 大小 可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力 其电路由图3 3所示 CX20106A的引脚注释 1脚IN 超声波信号输入端 该脚的输入阻抗约为40k 2脚AGC 该脚与GND之间连接RC串联网络 它们是负反馈串联网络的一个组成 部分 改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性 增大电阻R或减小C 将使负反馈量增大 放大倍数下降 反之则放大倍数增大 但C的改变会影响到频率 特性 一般在实际使用中不必改动 推荐选用参数为R 4 7 C 3 3 F 7 3脚C0 该脚与GND之间连接检波电容 电容量大为平均值检波 瞬间相应灵敏 度低 若容量小 则为峰值检波 瞬间相应灵敏度高 但检波输出的脉冲宽度变动 大 易造成误动作 推荐参数为3 3 F 4脚GND 接地端 5脚RC0 该脚与电源端VCC接入一个电阻 用以设置带通滤波器的中心频率f0 15 阻值越大 中心频率越低 例如 取R 200k 时 fn 42kHz 若取R 220k 则中心频率f0 38kHz 6脚C 该脚与GND之间接入一个积分电容 标准值为330pF 如果该电容取得 太大 会使探测距离变短 7脚OUT 遥控命令输出端 它是集电极开路的输出方式 因此该引脚必须接上 一个上拉电阻到电源端 该电阻推荐阻值为22k 没有接收信号时该端输出为 高电平 有信号时则会下降 8脚RC1 电源正极 4 5V 5V 当 CX20106 接收到40KHz的信号时 会在第7脚产生一个低电平下降脉冲 这 个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入适当改变C1 的大小 可改 变接收电路的灵敏度和抗干扰能力 R1 和C1 控制CX20106A内部的放大增益 R2 控制带通滤波器的中心频率 一般取R1 4 7 C1 1 F 其余元件按图4 取值 US R1 为超声波接收头 当收到超声波时产生一个下降沿 接到单片机的外部中断 INT0上 当超声波接收头接收到40kHz 方波信号时 将会将此信号通过CX20106A 驱 动放大送入单片机的外部中断0口 单片机在得到外部中断0的中断请求后 会转入 外部中断0的中断服务程序进行处理 图图 3 33 3 超声波接收电路超声波接收电路 16 3 43 4 显示单元电路显示单元电路 显示单元部分采用12864液晶模块 根据设计要求 用于显示测量距离 补偿温 度以及危险 保持 安全等警告信号 带中文字库的12864液晶是一种具有4位 8位并行 2线或3线串行多种接口方式 内部含有国标一级 二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块 其显示分辨率为 128 64 内置8192个16 16点汉字 和128个16 8点ASCII字符集 利用该模块灵 活的接口方式和简单 方便的操作指令 可构成全中文人机交互图形界面 可以显 示8 4行16 16点阵的汉字 8 12864液晶模块可完成图形显示 低电压低功耗是其又一显著特点 由该模块构 成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比 不论硬件电路结构或显 示程序都要简洁得多 且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块 12864液 晶基本特性如表3 2所示 表表 3 23 2 1286412864 液晶基本特性液晶基本特性 低电源电压 VDD 3 0 5 5V 显示分辨率128 64 点 内置汉字字库 8192 个 16 16 点 阵汉字 内置128 个 16 8 点阵字符 时钟频率 2MHz 显示方式STN 半透 正显 驱动方式1 32DUTY 1 5BIAS视角方向6 点 背光方式侧部高亮白色 LED通讯方式串行 并口可选 负压内置 DC DC 转换电路片选信号无需片选信号 工作温度0 55 存储温度 20 60 12864 液晶基本特性如图 3 4 所示 其各引脚说明如下 1 模块电源地 2 模块电源正端 17 3 LCD 驱动电压输入端 4 并行的指令 数据信号 串行的片选信号 5 并行的读写选择信号 串行数据口 6 并行的使能信号 串行同步时钟 7 14 数据 15 并 串行接口选择 H 并行 L 串行 16 空脚 17 复位 18 空脚 19 背光源正极 20 背光源负极 图3 4中电阻R13 R14使电平至高 R15调节显示亮度 其中并行模式下 管脚4 为显示数据 管脚4为低电平时 管脚7 14显示指令 管脚5和E都为高电平时数据被 读取到管脚7 14 管脚5为低电平且E由高电平变为低电平时管脚7 14的数据写入IR或 ER 图图 3 43 4 显示单元电路显示单元电路 18 3 53 5 语音播报电路语音播报电路 语音播报电路采用WT588D系列的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片 功能多音质好应用范围广性能稳定是WT588D系列语音单片机的特长 同时具有MP3 控制模式 按键控制模式 按键组合控制模式 并口控制模式 一线串口控制模式 三线串口控制模式以及三线串口控制I O口扩展输出模式 可控制的语音地址位能达 到220个 每个地址位里能加载可组合语音为128段语音 只需通过适当的访问地址 就可以实现语音播报 使用方便 语音播报电路设计如图3 6所示 图图 3 3 6 6 WT588DWT588D 语音播报电路语音播报电路 其中KIA1117芯片为WT588D VCC管脚 存储器电源输入脚 提供3 3V电压 3 6 电源电路设计电源电路设计 对于电源器件我们在开关电源和线性电源之间选择 开关电源和线性电源的区 别主要是他们的工作方式 下面我们对两种电源做个比较 线性电源功率器件工作在线性状态 也就是说他一用起来功率器件就是一直在 工作 所以也就导致他的工作效率低 一般在50 60 还得说他是很好的线性电 源 线性电源的工作方式 使他从高压变低压必须有将压装置 一般的都是变压器 也有别的像KX电源 再经过整流输出直流电压 这样一来他的体积也就很大 笨重 效率低 发热量也大 他也有他的优点 纹波小 调整率好 对外干扰小 适合用 与模拟电路 各类放大器等 开关电源 他的功率器件工作在开关状态 一开一关 频率非常快 一般的平 板开关电源频率在100 200KHz 这样 19 他的损耗就小 效率也就高 开关电源的效率高体积小 但是和线性电源比他的纹 波 电压电流调整率就大打折扣了 由于单片机工作时需要的 5V电压 所以在设计电源电路时 我们选用了线性 电源7805 在实际的电路控制中应用其作为电源电路较为广泛 在普通的电子元器件 商场都有销售易于购买 并且技术相对成熟 7805一脚为电源输入端 二脚为公共接地 端 三脚即为我们所需要的 5V电压输出端 本文采用最典型的7805提供电压的电路 即 在7805的1脚和公共接地端 即2脚 之间接入0 3 F的电容 在公共接地端和三脚 5V电 压输出端之间接入0 1 F的电容 电压变化如图3 7所示 图图 3 7 电压变化图电压变化图 由于接通电源瞬间 电容C来不及充电 电容器两端电压out为低电平 小于 1 3 Vcc 故高电平触发 端与低电平触发端均为低电平 输出out为高电平 放 电管VT截止 这时 电源经R1 R2对电容C充电 使电压out按指数规律上升 当uc 上升到 2 3 Vcc时 输出uo为低电平 放电管VT导通 把uc从 1 3 Vcc 上升到 2 3 Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态 其维持时间TPH的长短与电容的 充电时间有关 充电时间常数 T充 R1 R2 C 3 1 不难理解接通电源后 电 路就在两个暂稳态之间来回翻转 则输出可得矩形波 电路一旦起振后 uc电压总是在 1 3 2 3 Vcc 之间变化 图3 8是基于7805的电源电路图 这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路 IC采用集成稳压器7805 C1 C2分别为输入端和输出端滤波电容 RL为负载电阻 20 图图 3 8 电源电路图电源电路图 21 第第 4 4 章章 系统的软件设计系统的软件设计 超声波测距仪的软件设计主要有主程序 超声波发生程序 超声波接收中断程 序及显示子程序组成 我们知道 C 语言程序有利于实现较复杂的算法 汇编语言程 序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间 而超声波测距仪的程序需要 有较复杂的计算 计算距离时 所以控制程序可采用 C 语言编程 4 14 1 超声波测距仪的算法超声波测距仪的算法分析分析 超声波测距的原理为超声波发生器 T 在某一时刻发出一个超声波信号 当这个 超声波遇到被测物体后反射回来 9 就被超声波接收器 R 所接收到 这样只要计算 出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间 就可算出超声波发生器与反射 物体的距离 距离的计算公式为 d s 2 c t 2 4 1 其中 d 为被测物与测距仪的距离 s 为声波的来回的路程 c 为声速 t 为声波 来回所用的时间 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0 利用定时器 的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间 当收到超声波反射波时 接收电路输出端产生一个负跳变 在 INT0 或 INT1 端产生一个中断请求信号 单片 机响应外部中断请求 执行外部中断服务子程序 读取时间差 计算距离 4 24 2 主程序流程图主程序流程图 软件分为两部分 主程序和中断服务程序 如图 4 1 图 4 2 图 4 3 所示 主 程序完成初始化工作 各路超声波发射和接收顺序的控制 定时中断服务子程序完成单方向超声波的发射 外部中断服务子程序主要完成 时间值的读取 距离计算 结果的输出等工作 主程序首先是对系统环境初始化 设置定时器 T0 工作模式为 16 位定时计数器 模式 置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P0 和 P1 清 0 然后调用超声波发生子程 序送出一个超声波脉冲 为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波 触发 需要延时约 0 1ms 这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因 后 才打开外中断 1 接收返回的超声波信号 22 图图 4 14 1 主主程序流程图程序流程图 由于采用的是 12MHz 的晶振 计数器每计一个数就是 1 s 当主程序检测到接 收成功的标志位后 将计数器 T0 中的数 即超声波来回所用的时间 按式 4 2 计算 即可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 t 2 172T0 10000cm 4 2 其中 T0 为计数器 T0 的计算值 测出距离后结果将传给 LCD 数码显示约 5s 同时测量距离送语音模块播报 然 后再发超声波脉冲重复测量过程 为了有利于程序结构化和容易计算出距离 主程 序采用 C 语言编写 4 34 3 超声波发生子程序和超声波接收程序超声波发生子程序和超声波接收程序 超声波发生 子程序的作用是通过 P2 7 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号 频 率约 40kHz 的方波 脉冲宽度为 12 s 左右 同时把计数器 T0 打开进行计时 超 开始 单片机初始化 定时器初始化 开外部中断 显示测量值 等待中断 结束 23 声波发生子程序较简单 但要求程序运行准确 N Y 图图 4 24 2 定时中断服务子程序定时中断服务子程序 开始 结束 定时中断入口 停止发射 发射超声波 定时器初始化 发射完否 24 图图 4 34 3 外部中断服务子程序外部中断服务子程序 超声波测距仪主程序利用外中断 1 检测返回超声波信号 一旦接收到返回超声 波信号 即 INT1 引脚出现低电平 立即进入中断程序 进入中断后就立即关闭 计时器 T0 停止计时 并将测距成功标志字赋值 1 如果当计时器溢出时还未检测到 超声波返回信号 则定时器 T0 溢出中断将外中断 1 关闭 并将测距成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功 开始 结束 开外部中断 关外部中断 输出结果 读取时间值 计算距离 外部中断入口 25 第第 5 章章 系统调试仿真系统调试仿真 系统软硬件部分设计已经完成 超声波测距仪设计已经进入最后阶段 已具备 调试仿真条件 下面将通过proteus软件进行仿真调试 5 1 proteus 软件软件简介简介 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件 Proteus 主 要由 ISIS 和 ARES 两部分组成 ISIS 的主要功能是原理图设计及与电路原理图的交 互仿真 ARES 主要用于印制电路板的设计 Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统 可仿真各种电 路和 IC 并支持单片机 元件库齐全 使用方便 是不可多得的专业的单片机软件 仿真系统 它运行于 Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 各种模拟器件 和集成电路 该软件的特点是 1 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS232 动态仿真 I2C 调试器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真的功能 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分析仪 信号发生器等 2 支持主流单片机系统的仿真 目前支 持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 3 提供软件调试功能 在 硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试功能 同时可以观察各个变量 寄存器等的当前状态 因此在该软件仿真系统中 也必须具有这些功能 同时支持 第三方的软件编译和调试环境 如 Keil C51 uVision2 等软件 4 具有强大的原理 图绘制功能 总之 该软件是一款集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件 功能 极其强大 特点 支持 ARM7 PIC AVR HC11 以及 8051 系列的微处理器 CPU 模型 更多模型正在开发中 交互外设模型有 LCD 显示 RS232 终端 通用键盘 开关 按钮 LED 等 强大的调试功能 如访问寄存器与内存 设置断点和单步运行模式 支持如 IAR Keil 和 Hitech 等开发工具的源码 C 和汇编的调试 一键 make 特性 一个键完成编译与仿真操作 内置超过 6000 标准 SPICE 模型 完全兼容制造商提 供的 SPICE 模型 DLL 界面为应用提供特定的模式 基于工业标准的 SPICE3F5 混 26 合模型电路仿真器 14 种虚拟仪器 示波器 逻辑分析仪 信号发生器 规程分析仪 等 高级仿真包含强大的基于图形的分析功能 模拟 数字和混合瞬时图形 频率 转换 噪声 失真 付立叶 交流 直流和音频曲线 模拟信号发生器包括直流 正旋 脉冲 分段线性 音频 指数 单频 FM 数字信号发生器包括尖脉冲 脉 冲 时钟和码流 集成 PROTEUS PCB 设计形成完整的电子设计系统 5 2 仿真调试结果仿真调试结果 本系统采用了 40110 CX20106 4049 4069 芯片及其其他电子器件 由于部 分芯片在库里找不到 所以只能部分仿真 图 5 1 为超声波发射电路仿真电路图 5 2 为超声波发射电路的仿真波形 图图 5 15 1 仿真电路仿真电路 27 图图 5 25 2 发射电路仿真波形发射电路仿真波形 如图所示 第一 二行为加在超声波探头上的波形 第三行为振荡器产生的 40kHz 的超声波波形 28 第第 6 6 章章 总结总结与展望与展望 由于时间和其它客观上的原因 此次设计没有成功做出实物 但是对设计有一 个很好的理论基础 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 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括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 单片机采用AT89S51或其兼容系列 采用12MHz高 精度的晶振 以获得较稳定时钟频率 减小测量误差 单片机用P2 7端口输出超声 波换能器所需的40kHz的方波信号 利用外中断1口监测超声波接收电路输出的返回 信号 显示电路采用简单实用的128 64液晶模块 超声波测距仪的软件设计主要有主程序 超声波发生程序 超声波接收中断程 序及显示子程序组成 而超声波测距仪的程序有较复杂的计算 计算距离时 所以 控制程序可采用C语言编程 超声波测距仪主程序利用外中断1检测返回超