高精度超声波测距仪的设计和实现答辩PPT

1、超声波测距仪的设计与实现超声波测距仪的设计与实现专业：专业： 通信技术通信技术 姓名：姓名： 邵校邵校 指导教师指导教师: :张维张维 第一章 绪 论第二章 超声测距技术方案分析第三章 超声波测距系统硬件部分设计第四章 超声波测距系统软软部分设计第五章 系统实现与检验1.2 本课题相关说明1.1 选题背景及意义第一章第一章 绪论1.1 选题背景及意义选题背景及意义v 由于超声波在介质中传播不易受干扰，方向性好，能量集中度高，由于超声波在介质中传播不易受干扰，方向性好，能量集中度高，传播距离远等特点，因而经常被用于距离的测量，如测距仪和物位测传播距离远等特点，因而经常被用于距离的测量，如测距仪和

2、物位测量仪。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、研发高效率收发电量仪。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、研发高效率收发电路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。 v随着人们生活水平的提高，越来越多的人拥有了汽车。随着城随着人们生活水平的提高，越来越多的人拥有了汽车。随着城市化的加快，道路显得很拥挤。尤其是很多新手驾车，倒车时经常发市化的加快，道路显得很拥挤。尤其是很多新手驾车，倒车时经常发生擦碰。经常因为一些小问题，造成车尾的损坏，车身被刮花。如果生擦碰。经常因为一些小问题，造成车尾的损坏，车身被刮花。如果有一种可以测距的硬

3、件提示车尾与障碍的距离，让新手摆脱倒车的恐有一种可以测距的硬件提示车尾与障碍的距离，让新手摆脱倒车的恐惧。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。惧。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。1.2 本设计相关说明本设计相关说明v 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用根据设计要求并综合各方面因素，可以采用at89c52单单片机作为主控制器，超声波驱动信号用单片机的定时器完片机作为主控制器，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，其中硬件部分主要由单片机主系统及超声波发射模块、成，其中硬件部分主要由单片机主系统及超声波发射模块、超声波接收模块、显示模块几部分组成。采用超声波接收模块、显示模块

4、几部分组成。采用at89c52来实现对各个子模块的控制。由单片机计数器所计的数据来实现对各个子模块的控制。由单片机计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，结合超声波声速通过换算就可就是超声波所经历的时间，结合超声波声速通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离和温度补偿以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离和温度补偿模块所测得的环境温度在屏幕上予以显示。软件部分主要模块所测得的环境温度在屏幕上予以显示。软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。示子程序。项目概述项目概述2.2超声测距原理2.3超声测距系

5、统的主要参数2.1 超声与超声的特性第二章 超声测距技术方案分析2.1 超声与超声的特性v 声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，根据大量实验数据统计，取整数为取整数为20000赫兹赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为在，因而称这种高频率的声为“超超”声。声。v 超声波的特性有：超声波的特性有： （1）束射特性）束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够由于超声波的波长短，超声波射线可以

6、和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。度差别愈大，则折射率也愈大。 （2）吸收特性）吸收特性 声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其

7、强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。的。（3）超声波的声压特性）超声波的声压特性 当声波进入某物体时当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变之间产生压

8、缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。2.2 超声测距原理v 最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为超声波在空气中

9、的传播速度为340m/s，根据计时器记，根据计时器记录的时间录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：即：s=340t/2。3.2单片机处理单元3.3发射模块3.1 概述第三章第三章 超声测距技术硬件部分设计3.4接收模块3.1 概述概述v 整体电路的控制核心为单片机整体电路的控制核心为单片机at89c52。整体结构图。整体结构图包括超声波发射电路包括超声波发射电路,超声波接收电路超声波接收电路,单片机电路单片机电路,显示电显示电路路,等几部分模块组成。单片机控制发射模块发出等几部分模块组成。单片机控制发射模块发出40khz的超声波信号并开始记时

10、，通过超声波发射器输出超声波的超声波信号并开始记时，通过超声波发射器输出超声波信号；超声波接收器将接收到的超声波返回信号送至接收信号；超声波接收器将接收到的超声波返回信号送至接收模块，经处理后，送至中断信号至单片机，单片机启动中模块，经处理后，送至中断信号至单片机，单片机启动中断程序，测得时间为断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算和修正，再由软件进行判别、计算和修正，得出距离数并显示。得出距离数并显示。硬件结构图3.2 单片机处理单元单片机处理单元v单片机正常工作时，都需要一个时钟电路和一个复位电路来构单片机正常工作时，都需要一个时钟电路和一个复位电路来构成单片机的最小系统。时钟电路用

11、于产生单片机工作时所需的时钟信成单片机的最小系统。时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号，其有两种时钟方式：外部时钟和内部时钟。外部始终是使用外部号，其有两种时钟方式：外部时钟和内部时钟。外部始终是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作，以便于同步。本设计只振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作，以便于同步。本设计只有一片单片机，采用内部时钟方式。有一片单片机，采用内部时钟方式。at89c52内部有一个可控制的内部有一个可控制的负反馈反向大器，引脚负反馈反向大器，引脚xtal1和和xtal2分别是此放大器的输入端分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与反馈元件的片外石英晶体或陶

12、瓷谐振器构成和输出端。这个放大器与反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器构成一个自激振荡器。外接晶体以及电容一个自激振荡器。外接晶体以及电容c1和和c2构成并联谐振电路，接构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容值虽然没有严格的要求，但是电在放大器的反馈回路中。对外接电容值虽然没有严格的要求，但是电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、震荡器的稳定性、快速性以容的大小多少会影响振荡器频率的高低、震荡器的稳定性、快速性以及温度稳定性。出于对测距精度的考虑，本设计采用及温度稳定性。出于对测距精度的考虑，本设计采用12mhz的晶体的晶体振荡器，振荡器，c1和和c2的电容值约为的电容值约为100

13、pf。v 复位是单片机的初始化操作，只要复位是单片机的初始化操作，只要rst引脚出至少保持两个机引脚出至少保持两个机器周期的高电平就可以实现复位。在器周期的高电平就可以实现复位。在rst端出现高电平后的第二个端出现高电平后的第二个周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至rst端变低。端变低。单片机的复位电路有两种：上电复位和手动复位。本设计采用手动复单片机的复位电路有两种：上电复位和手动复位。本设计采用手动复位方式。当按下复位按钮时，电容迅速放电，使位方式。当按下复位按钮时，电容迅速放电，使rst端迅速变为高端迅速变为高电平，复位按钮松开后，

14、电容通过电阻充电，逐渐使电平，复位按钮松开后，电容通过电阻充电，逐渐使rst端恢复低端恢复低电平。电平。单片机最小结构单片机最小结构单片机最小系统电路图3.3 发射模块发射模块v 超声波发射部分是为了让超声波发射换能器超声波发射部分是为了让超声波发射换能器tct4016t能向外界发出能向外界发出40 khz左右的方波脉冲信号。发射模左右的方波脉冲信号。发射模块的核心是块的核心是74ls04集成块。由于单片机端口输出功率集成块。由于单片机端口输出功率不够，故需要通过发射模块来实现推动超声波发射探头工不够，故需要通过发射模块来实现推动超声波发射探头工作的效果，通过编程由单片机作的效果，通过编程由单

15、片机p1.0端口输出脉冲信号至端口输出脉冲信号至发射模块，发射模块随即控制超声波发射器发射模块，发射模块随即控制超声波发射器tct4016t以将超声波发射到空气中。以将超声波发射到空气中。资料资料发射模块电路图3.4 接收模块接收模块v tct4016t发射的超声波在空气中传播，遇到障碍物发射的超声波在空气中传播，遇到障碍物就会返回，返回的部分有超声波接收器接收。超声波接收就会返回，返回的部分有超声波接收器接收。超声波接收部分是为了将反射波部分是为了将反射波(回波回波)顺利接收到，超声波接收换能顺利接收到，超声波接收换能器器tct4016r将接收到的反射波转换变成电信号，并将接收到的反射波转换

16、变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后得到一个负脉对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后得到一个负脉冲送给单片机的冲送给单片机的3.2(int0)引脚，以产生一个中断。引脚，以产生一个中断。 在在这里我采用的是集成电路这里我采用的是集成电路cx20106a，这是一款红外线，这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虑到红外遥控常用的载波频率38khz与测距超声波频率与测距超声波频率40khz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具

17、有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。接收模块电路图4.2计算距离程序4.1 概述第四章第四章 超声测距技术软件部分设计4.3超声波发生程序4.4软件去抖4.1 概述概述v 超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。采用中断程序及显示子程序组成。采用c语言编程，翻译成汇编语言写入单片语言编程，翻译成汇编语言写入单片机。机。4.2 计算距离程序计算距离程序v tr0=0; v th1=0 x9e; v tl1=0 x57; v t=th0; v

18、t=t*256+tl0; v t=t-29; v s=t*csbc/2; v tr1=1; v cl=0; v csbint=1;4.3 超声波发生程序超声波发生程序v v ea=1; /开中断开中断 v tmod=0 x11; /设定时器设定时器0为计数，设定时器为计数，设定时器1定时定时 v et0=1; /定时器定时器0中断允许中断允许 et1=1; /定时器定时器1中断允许中断允许 v th0=0 x00; v tl0=0 x00; v th1=0 x9e; v tl1=0 x57; v csbds=0; v csbout=1; v vv cl=0; v csbs=8; v jpjs=0; v sj1=50; v sj2=200; v sj3=580;4.4软件去抖软件去抖vvoid keyscan() /健盘处理函数健盘处理函数 v xx=0; v if(k1!=1) / 判断开关是否按下判断开关是否按下 v delay(100); /延时去抖动延时去抖动 v if(k1!=1) / 判断