基于51单片机的超声波测距系统本科毕业设计.doc

本科生毕业论文本科生毕业论文 超声波测距系统的设计超声波测距系统的设计 毕业论文诚信声明毕业论文诚信声明 本人郑重声明 所呈交的毕业论文 超声波测距系统的设计 是本人在指导老师的 指导下 独立研究 写作的成果 论文中所引用是他人的无论以何种方式 发布的文字 研究成果 均在论文中以明确方式标明 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 本声明的法律结果由本人独自承担 作 者 签 名 指导教师签名 年 月 日 摘 要 超声波是指频率在 20kHz 以上的声波 它属于机械波 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 聞 創沟燴鐺險爱氇谴净 系统的设计主要包括两部分 即硬件电路和软件程序 硬件电路主要包括发射电路 接收电路 单片机电路 电源电路和显示电路 另外还有 LCD 控制电路和复位电路等 我采用以 AT89S51 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 软件程序由主程序 发射子程序 接收子程序 预置子程序 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 LCD 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 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟 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 在设计 的过程中考虑了这些因素 并给出了一些解决方案 酽锕极額閉镇桧猪訣锥 关键词 AT89S51 超声波 测距 Abstract Is the frequency at 20kHz ultrasonic sound waves above it is a mechanical wave Also follow the general mechanical ultrasonic wave propagation in elastic media such as reflection and refraction at the interface media into the media after the decay occurs such as dielectric absorption It is because of these properties so that ultrasound can be used to measure the distance 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑 With increasing levels of technology ultrasonic ranging technology is widely used among people s daily work and life Design of the system consists of two parts namely hardware and software programs The hardware circuit includes a transmitter circuit a receiver circuit the microcontroller circuit a power supply circuit and a display circuit in addition to the LCD control circuit and a reset circuit I used to AT89S51 core low cost high precision miniaturized ultrasonic rangefinder digital display hardware circuits The entire circuit is modular in design the signal transmission and reception power temperature measurement and display module Signal amplification and detection probe launch after launch out MCU timer is started the original way back after the ultrasound was launched after amplification bandpass filtering plastic and other sectors then the microcontroller receives the counter to stop working and get the time After the temperature measurement to the microcontroller the speed through the process of correcting a combination of both to achieve Ultrasonic Ranging function Software program from the main program launch subroutine receives subroutine preset routines subroutines and other display modules It controls the microcontroller for data transmission and reception at a certain temperature correction of ultrasonic velocity as well as data on the LCD display correctly Another procedure controls the microcontroller to eliminate the influence of the probe for transmitting and receiving ultrasonic waves Accompanied by the relevant part of the hardware schematics program flow 謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 The actual environment of great influence on the ultrasonic wave such as an external electromagnetic interference power interference channel interference etc the temperature of the air is also a great influence on the speed of the ultrasonic wave Besides measuring the power supply also make great error of poor students Redesign process to consider these factors and gives some solutions 厦礴恳蹒骈時盡继價骚 Key words AT89S51Ultrasonic waveRanging III 目 录 一 绪论 1茕桢广鳓鯡选块网羈泪 1 1 课题研究的背景及意义 1鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 1 2 超声检测在国内发展综述 1籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 1 3 本文主要研究内容 2預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 二 超声波测距原理与方法 4渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 2 1 超声波简介 4铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 2 1 1 超声波的三种形式 4擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 2 1 2 超声波的物理性质 4贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 2 1 3 超声波对声场产生的作用 4坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 2 2 超声波传感器介绍 5蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 2 2 1 超声波的测距原理及结构 5買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 2 2 2 超声波传感器选择 7綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 2 2 3 超声波测距的原理 7驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 2 2 4 发射脉冲波形 8猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 2 3 本章小结 9锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 三 系统硬件设计 10構氽頑黉碩饨荠龈话骛 3 1 发射电路设计 10輒峄陽檉簖疖網儂號泶 3 1 1 发射电路设计方案 11尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 3 1 2 发射电路方案 11识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 3 1 3 超声波发射器的注意事项 12凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 3 2 接收电路设计 13恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 3 3 单片机显示电路设计 14鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 3 3 1 LCD 显示部分 18硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 3 3 2 报警部分 19阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 3 4 本章小结 19氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 四 软件设计和测量结果分析 20釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 4 1 系统软件设计 20怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 4 2 外部中断子程序 23谚辞調担鈧谄动禪泻類 4 3 定时器中断子程序 25嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 4 4 实现重要功能的程序分析 26熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 4 4 1 实现温度读取功能 26鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 4 4 2 实现根据温度转化声速 26纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 4 4 3 实现距离计算 27颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 4 5 本章小结 27濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 五 结论 28銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 致 谢 29挤貼綬电麥结鈺贖哓类 参考文献 30赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 南昌理工学院本科生毕业论文 一 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 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 超声波指的是 20kHz 以上的声波 超声波同样遵循一般机械波在介质中的传播 规律 比如在介质的分界面处发生折射及反射现象 进入介质后而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 塤礙籟馐决穩賽釙冊 庫 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 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 国外超声波测距仪技术领先 产品齐全 性能比较稳定 市场需求量大 测量精度 高 测量误差小 1 1 2 超声检测在国内发展综述 在基于传统的测距存在不可克服的缺陷 例如 液面测量就是一种距离测量 一般 的电极法是采用的差位分布电极 再通过电或脉冲来检测液面 但是电极长时间浸泡在 水中或其他液体中 容易被腐蚀或者电解 从而失去灵敏性 超声波具有方向性好 强 度大等特点 因此利用超声波测距技术在工业控制 机器人定位 勘探测量和安全防范 南昌理工学院本科生毕业论文 等领域得到了广泛的应用 2 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 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 泛的应用 3 通过简单的外围电路发和接收超声波 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 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 1 3 本文主要研究内容 本系统硬件部分由 AT89C51 控制器 超声波发射电路及接收电路 温度测量电路 DS18B2 声音报警电路和 LCD 显示电路组成 汽车行进时 LCD 显示环境温度 当倒 车时 发射和接收电路工作 经过 AT89C51 数据处理将距离也显示到 LCD 上 如果距 离小于设定值时 报警电路会鸣叫 提醒司机注意车距 超声波测距器的系统框图如下 图所示 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 图 1 1 系统设计总框图 由单片机 AT89C51 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 超声波经障碍物反射回来 超声波接收头接收此信号 然后通过 接收电路的处理 指定接收口就变为低电平 读取单片机中定时器的值 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩 凉 由图 1 2 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 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 发射电路 接收电路 AT89C51 LCD DS18B2 0 报警电路 南昌理工学院本科生毕业论文 图 1 2 时序图 南昌理工学院本科生毕业论文 二 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 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶 锬 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 波的传播方向一致 表面波 质点振动介于纵波 横波之 间 横波只能传播在固体里 纵波能在气体 液体和固体中传播 表面波随深度的增加 而衰减更快 一般采用纵波形式的超声波来测量各种状态下的物理量 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 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 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 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 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 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 一般会引起介质质点交替的伸张与压缩 造成了压力的变化 引起机械效应 超声波引起质点的运动 尽管位移和速度不大 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 有时足以破坏介质 则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷 2 空化作用 流体动力学指出 在声场作用下振动的液体中的微气泡在达到一定声压值的时候 南昌理工学院本科生毕业论文 气泡会迅速膨胀 之后就突然闭合 而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就叫做为空化 4 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 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 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 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 一类是利用机械方式产生出超声波 一 类是利用电气方式产生出超声波 机械方式有液哨 气流旋笛和加尔统笛等 电气方式 则包括电动型 磁致伸缩型和压电型等 他们产生出的超声波频率 功率和声波特性都 各自不相同 因此用途也不尽相同 压电式超声波发生器是目前比较常用的发生器 稟 虛嬪赈维哜妝扩踴粜 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 一个共振板 当压电 式超声波发生器的两极外加脉冲信号 频率等于压电晶片的固有振荡频率的时候 压电 晶片将会发生共振 并带动共振板振动产生超声波 相反 未在两极间加电压时 当共 振板接收到超声波时 将压迫压电晶片作振动来转换为电信号 这时它就成为超声波接 收器了 超声波传感器结构如下图所示 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 图 2 1 传感器的外部结构 图 2 2 传感器的内部结构 2 2 1 超声波的测距原理及结构 通过超声波发射装置发出超声波 根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距 离了 这与雷达测距原理相似 比如超声波发射器朝一方向发射出了超声波 同时在 发射时刻的计时 途中碰到障碍物就立即返回来 超声波接收器收到反射波就立即停止 计时 超声波在常温下的空气中的传播速度为 340m s 然后根据计时器记录的时间 南昌理工学院本科生毕业论文 t 就能计算出发射点和障碍物的距离 s 即 s 340t 2 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 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 1 对超 声波传播速度加以修正 以减小误差 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 V 331 4 0 607T 2 1 式中 V 为超声波在介质中的传播速度单位为 m s T 为实际温度单位为 超声波指向性强 在介质中传播的距离较远 为直线传播方式 频率越高 绕射能 力越弱 但反射能力越强 因此 利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器 目前 常用的超声传感器有两大类 即流体动力型与电声型 流体动力型中包括有气体 液体 两种类型的哨笛 电声型主要有压电传感器 静电传感器和磁致伸缩传感器 懨俠劑鈍触乐 鹇烬觶騮 压电传感器的探头由楔块 压电晶片和接头等组成 压电材料可分为压电陶瓷和晶 体两类 属于压电陶瓷的有锆钛酸铅 钦酸钡等 属于晶体的如石英 铌酸锂等 其具 有下列的特性 把这种材料置于电场之中 它就产生一定的变化 相反 如果对它施以外 力 由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 超声波传感器通常由双压电陶瓷片制成的 这种超声波传感器需要较少的压电材料 价格低廉 非常适合于气体和液体介质 当压电陶瓷改变交流电压的大小和方向 根据 压电效应 压电陶瓷片将产生机械变形 机械变形是与在一定范围内所施加的电压大小 和方向成比例的 即在压电陶瓷晶片上加有频率为交流电压 它就会产生相同频率的机 械振动 以促进这种介质 例如空气 可发射超声波 如果在压电陶瓷片上 这将使得 机械变形时 压电陶瓷片的机械变形 产生与机械超声波相同频率的电信号 呙铉們欤谦鸪 饺竞荡赚 A B 图 2 3 双压电晶片示意图 南昌理工学院本科生毕业论文 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 R 是电损耗 C0 为静电电容 R 是损耗串 联电阻 联电阻 Cm Lm是机械共振回路的电容和电感 压电陶瓷晶片有一个固定的谐 振频率 0 发射超声波时 加在它两端的交变电压的频率必须和它的固有谐振频率保持 一致 在这种情况下 超声波传感器具有很高的灵敏度 当改变压电材料常数和改变压 电陶瓷片 由超声波换能器的频率特性很容易改变使用的固有谐振频率的几何形状 5 莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 2 2 2 超声波传感器选择 在超声波测量系统中 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 频率取得太低 外界的杂音干扰会相应的变多 文中所采用的探头是 40KHz 的收发分体式超声传感器 由发射传感器 UCM T40KI 和接收传感器 UCM R4OKI 组成 其特性参数如表 2 1 所示 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 表 2 1 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 南昌理工学院本科生毕业论文 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 6 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 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 声速就增加 0 6 米 秒 表 2 2 列出了几种温度下的声速 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 表 2 2 声速与温度的关系表 温度 摄氏度 30 20 10 0 10 20 30 100 声速 米 秒 313 319 325 331 337 343 349 389 在使用时 假设温度变化不是大的话 则可以当做声速 c 不变 计算的时候取 c 的 大小为 340m s 只是测距精度要求很高的时候 就可以在硬件电路基本上保持不变的 情况下通过软件来加以校正以及改变硬件电路增加温度补偿电路的方法 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊 藹 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 2 3 6 04 331 16 273 16 273 45 331smT T C 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝 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 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 2 2 4 发射脉冲波形 超声测距常用的发射脉冲波形如图 2 7 所示有衰减振荡脉冲 单个尖脉冲 宽等幅 波列脉冲和窄等幅波列脉冲 南昌理工学院本科生毕业论文 单个尖脉冲 衰减振荡脉冲 窄等幅波脉冲 宽等幅波脉冲 图 2 7 超声波测距常用发射脉冲波形 2 3 本章小结 本章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 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 环境温度 工作频率 发射脉冲波形 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺 南昌理工学院本科生毕业论文 三 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 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 发射电路采用单片机 P1 0 端口编程输出大概 40KHz 的方波脉冲信号 同时开启内 部计数器 T0单片机端口输出功率比较弱 所以加大加功率放大电路使测量距离能够满 足要求 驱动超声传感器 UCM 40T 发射超声波距离足够远 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 由于从接收传感器探头 UCM40T 传来的超声波回波很微弱 只有几十个 mV 级 同时又有着较强的噪声 所以必须考虑放大信号和抑制噪声 这里使用 CX 20106A 集 成电路对接收探头接收滤波 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 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 3 1 发射电路设计 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法 使用软件如单片机软件编程 输出或采用硬件如由 555 振荡产生 本系统采用前者 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 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 另一方面可以提高反向器 74HC04 输出高电平 的驱动能力 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟 南昌理工学院本科生毕业论文 3 1 1 发射电路设计方案 一 发射电路输出波形分析 1 发射波形电压及功率 传感器的发射电压大小一般是由发射信号损失及接收机的灵敏度决定 考虑实际发 射传感器最大输入电压为 20V 而单片机输出的最大正常工作电压为 5V 功率传感器 传输的信号直接决定超声波距离传感器信号的发射 所以在相同的时间内电压应考虑如 何增加他们的功率 以使发射电路是比较合理的 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 2 发射波形的重复性 各个振动的发射波应是以大致相同的频率 这样 接收的带通滤波器可用于消除干 扰和接收相同的振动波峰 以避免由于反射面和干涉障碍物造成的各种损失 为了获得 高的分辨率 超声发射器的电路设计应确保良好的发射波形的重复性 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮 为了保证发射波功率和波形的重复性 发射电路的设计必须合理 一般发射电路通 常按发射方式分为 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 7 镞锊过润启婭澗骆 讕瀘 3 1 2 发射电路方案 从上面的分析可以知道 发射电路设计的主要目的是提供输入到发射探头电压和功 率 本系统单片机的 P1 0 发出了一组方波脉冲信号 输出波形稳定可靠 但由于输出 电流和输出功率非常低 所以还不足以推动发射传感器发射足够的超声波信号 所以在 这里加入了一个单电源乙类互补对称功率放大电路 如图 3 2 所示 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛 图 3 1 超声波发射电路 框图 南昌理工学院本科生毕业论文 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后就会立即停 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 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑 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 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲 误差一般由以下几个方面引起的 1 探测目标的入射角会受超声波波束影响 2 待测距离的远近关系着超声波回波声强 就会导致实际测量时不一定是第一 个回波的过零点触发 3 传播速度的影响 超声波传播速度的稳定与准确度是保证测量精度的必要条 件 而超声波的传播速度又受传播媒质特性的影响 传播媒质的压力 温度 密度都将 对声速产生直接的影响 因此需对声速加以修正 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭 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 2SC t V 计算 当夹角很大的时候 必须进行距离的修正 修正的公式为 劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙 3 1 cos 2 c t S 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 南昌理工学院本科生毕业论文 量夹角为 45 臠龍讹驄桠业變墊罗蘄 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 8 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞 3 2 接收电路设计 接收部分主要由接收换能器和放大电路组成 里面的放大电路是一个三级运算放大 器 A1 功能是将从目标处反射回来的微弱信号进行放大整形后送入计数控制电路部分 由于在距离较远的情况下 回波信号很小 转换为电信号的幅度也较小 此要求将信号 放大 60 万倍左右 采用三级放大 前两级放大 100 倍 用高精密放大器 LM318 带宽 为 15MHz 充分满足要求 第三级采用 LF353 运算放大器 宽为 4MHz 放大后的交 流信号经光电隔离送入比较器 比较器的作用是将交流信号整形为一个方波信号 输出 信号送入 555 单稳态触发器 穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺 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 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽 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 超声换能器的输出电阻比较大 因此前置放大器必须有足够大 的输入阻抗 Input Impedance 换能器的输出电压很大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 R2 R3 和 Rp 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 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 由电路可列出 南昌理工学院本科生毕业论文 I 3 2 3 R UU f I 3 3 2 R UUi i 把放大器理想化后 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 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝 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 0 U U 0 所以有 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 根据本设计需要 接收传感器输出电压很小 数十毫伏 故分别取 R2 1K R3 200K RP 1K 即放大电路将输入信号放大 200 倍 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 3 3 单片机显示电路设计 显示器是一个其应用是极为广泛的设备 基本上所有的电子产品都要使用显示器 而其差别仅在于显示器的结构类型不同而己 最简单的显示器可以使 LED 发光二极管 给出一个简单的开关量信息 而复杂的较完整的显示器应该是 CRT 监视器或者屏幕较 大的 LCD 于显示的距离范围在 4 米之内 选用 3 位 LED 示 表示距离的 XXXcm 数值 液晶屏 综合课题的实际要求由数码管通过单片机编程实现显示 表示距离的 XXXcm 数值 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 LED 数码管显示与单片机接口通常涉及以下几个问题 1 由数码转换为笔划信息借软件译码还是硬件译码 2 LED 数码管显示用共阴极管还是共阳极管 3 显示扫描采用动态扫描还是静态扫描 南昌理工学院本科生毕业论文 问题 1 软件译码是将各数码的笔划信息构成一个表格预储于内存 以后根据要显 示的每一数码执行一段查表程序 查得相应笔划信息再送数码管显示 硬件译码则采用 CD4511 74LS46 74LS47 74LS48 74LS49 等 BCD 码七段锁存 译码 驱动芯 片直接译出笔划信息 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲 问题 2 采用共阴极数码管还是共阳极数码管没有太明显的优缺点 如图 3 4 a 所示数码管 每个数码管内部 由 8 个发光二极管组成 其中七个组成 8 字形的七段笔 划 分别编号为 a b c d e f g 还有一个为小数点 标为 DP 当发光二极管 导通时 相应的一段笔划或点就发亮 控制不同二极管导通就能显示出不同符号 发光 二极管的阴极连在一起的称为共阴极数码管 如图 3 4 b 所示 发光二极管的阳极连 在一起的称为共阳 如图 3 4 c 所示 两种数码管仅在单片机编程时数码对应的笔划 信息码不同 薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫 图 3 4 数码管结构图 问题 3 动态扫描其实指的是我们采用分时的方法 轮流控制各个显示器的 COM 端 这样各个显示器轮流点亮 在轮流点亮扫描过程中 每位显示器的点亮时间是极为 短暂的 约 1ms 但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应给人的印象就是一 组稳齡践砚语蜗铸转絹攤濼 南昌理工学院本科生毕业论文 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 ECI 3 P1 3 CEX0 4 P1 4 CEX1 5 P1 5 CEX2 6 P1 6 CEX3 7 P1 7 CEX4 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 P2 1 A9 P2 2 A10 P2 3 A11 P2 4 A12 P2 5 A13 P2 6 A14 P2 7 A15 PSEN 29 ALE PROG 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 AT89S51 IN1 1 IN2 2 IN3 3 IN4 4 IN5 5 IN6 6 IN7 7 OUT1 16 OUT3 14 OUT4 13 OUT5 12 OUT6 11 OUT7 10 OUT2 15 COM 9 GND 8 ULN2003A OE 1 CLK 11 D0 2 O0 19 D1 3 O1 18 D2 4 O2 17 D3 5 O3 16 D4 6 O4 15 D5 7 O5 14 D6 8 O6 13 D7 9 O7 12 VCC 20 GND 10 74ACQ574PC 12 XTAL C3 C2 1K R1 C1 VCC VCC K f g e d K c DP b a Dpy Red CC K f g e d K c DP b a Dpy Red CC K f g e d K c DP b a Dpy Red CC VCC VCC 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 Res Pack4 VCC Y1 Y2 Y3 Y1Y2Y3X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X1 图 3 5 显示部分电路图 南昌理工学院本科生毕业论文 定的显示数据 不会有闪烁感 采用静态扫描方式控制点亮 LED 数码管无位选信号 各数码管是同时点亮的 它的原理比较简单 静态扫描显示编程容易 显示比较清晰 亮度一般较高 但要求占用很多 I O 接口线和增用不少硬件芯片 成本较高 所以 动态 扫描用得更多点 绅薮疮颧訝标販繯轅赛 针对以上 3 个问题 实际考虑节约单片机的接口资源以及减少硬件芯片成本投入 本单元电路设计如图 3 5 所示 采用 3 位共阴极数码显示管 显示字符由单片机 P2 口 送至锁存器 74ACQ574 锁存 再经显示驱动芯片 ULN2O03 驱动数码管显示 P0 1 P0 3 分别控制每一位的动态显示 饪箩狞屬诺釙诬苧径凛 74ACQ574 为三态输出 D 型上升沿触发器 图 3 6 为其引脚图 在输入使能端 OE 有效时 当时钟脉冲 CLK 有上升沿跳变 触发器发生翻转 将锁存的 8 路输入数据 即 单片机 P2 口送出的字符数据 送出显示 其功能表 如表 3 1 所示 烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵 图 3 6 74HC574 引脚图 图 3 7 ULN2003 引脚图 表 3 1 74ACQ574 功能表 INPUTS CLK DOE OUTPUT L H L L L H or L X H X X H L Q0 Z 南昌理工学院本科生毕业论文 ULN2003 为显示驱动芯片 抬升单片机的输出电流 提高负载驱动能力 它引脚 如图 3 7 所示 其内部含七对达林顿放大管 其主要功能是输入为低电平时 输出为高 电平 当输入为高电平时 输出为低电平 本课题让单片机 P0 1 P0 3 经此芯片提升驱 动能力从而控制数码管的位选 实现数据动态扫描输出 9 鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键 但是声音的速度在不同的温度下可能会有所改变 所以采用了温度补偿功能了提高 系统的精度 这里采用的主要元器件是 Dallas 半导体公司生产的单总线数字温度传感 器 DS18B20 其具有智能化 体积小 精度高 线路简单等特点 将 DS18B20 数据 线与单片机的 P1 1 口相连 就可以实现温度测量 如图 3 8 所示 撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞 3 3 1 LCD 显示部分 本设计中显示部分采用字符型 TC1602 液晶来显示我们所测距离值 TC1602 显示 的容量为 2 行 16 个字 液晶显示屏有体积小 显示内容丰富 超薄轻巧 微功耗 使 用方便等诸多优点 使用时 可将 P0 与 LCD 的数据线相连 P2 口与 LED 的控制线相 连 如图 3 9 所示 踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄 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 D7 D0 正好相反 因此在编写软件时需 要做处理 使读取正确 10 婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞 图 3 8 DS18B20 温度测量电路 南昌理工学院本科生毕业论文 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 11 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻 图 3 10 报警电路 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 俦 聹执償閏号燴鈿膽賾 图 3 9 TC1602 液晶显示电路 南昌理工学院本科生毕业论文 四 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 12 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜 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 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 南昌理工学院本科生毕业论文 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 骥擯帜褸饜兗椏長绛粤 3 按键 S 为测量启动键 4 系统采用 AT89S51 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 如图 4 2 所示 癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵 图 4 2 主程序流程图 系统主程序如下 void main void uchar i j for i 0 i 255 i for j 0 j 255 j 延时 等待系统外围复位完成 sys init 初始化 南昌理工学院本科生毕业论文 display 显示 sta flag 0 标准复位 waitforstarting 检测按键 while START for i 0 i 20 i delay1ms if START goto waitforstarting BUZZER 0 蜂鸣器鸣音一次提示按键按下 i 100000 while i BUZZER 1 i 100000 while i TR0 1 启动定时器 0 ET0 1 testtemp 启动温度转换 while 1 if sta flag 60MS 到了 超声波已经发送 while 0 CSBIN 等待超声波返回 TR1 0 jsh TH1 停止计数 jsl TL1 if 15 count 1S 到 检测温度 temp wd count 0 testtemp 重新启动转换 display 刷新显示 南昌理工学院本科生毕业论文 computer 计算距离 hextobcd 转化成 BCD 码 sta flag 0 标志清零 void sys