传感器与测试技术课程设计1

1、传感器与测试技术课程设计题目 超声波测距系统设计学校广播电视大学专业机械设计制造及其自动化班级2502康峰 学号55指导教师 熊纪宇完成时间完14年4月18号目录一、课程设计目的2二、课程设计题目2三、课程设计容及要求21、设计容22、设计要求2四、传感器工作原理2五、系统框图4六、单元电路设计原理41、LED显示电路与键盘控制电路设计42、超声波发射电路设计53、超声波接收电路设计74、串口通信与蜂鸣器电路设计8七、软件设计与系统调试91、主程序流程图101. 1发射程序与接收流程图10L2中断子程序及流程图111.3一离计算与显示子程序12八、设计中的问题及解决方法13九、参考文献14一、

2、课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计，掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则 及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。二、课程设计题目：超声波测距系统设计三、课程设计容及要求1、设计容采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离， 也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。功能：1） LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。2）测量围：30cm200cm,3）误差VO. 5cm。4）其它。2、设计要求1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。2）独立设计原理图及相应的硬件电路。3）设计说明书格式规，层

3、次合理，重点突出。并附上详细的原理图四、传感器工作原理超声波发生器部结构有两个压电晶片和一个共振板。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时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，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，就成为超声接收波换能器。超声测距大致有以下方法：取输出脉冲 的平均值电压，该电压（其幅值基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；测 量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,测距原理如图2T所示，距 离公式为s=ct/2,其中c为声速。通过测量发射与接受装置之间的

4、距离h,利用直角三角形可求得d =因为sh,则d=s, d=s=ct/2o本测量电路采用第二种方案。图4T测距原理图在空气中，常温下超声波的传播速度是334米/秒，但其传播速度v易受空气中温度、 湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1,声速增加约0.6米 /秒。声速与温度关系如表4-2所示。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过对温度补 偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式可近 似如下：V=331.5+0. 607T这样，只要测得越声波发射和接收回波的时间差t以及现场环境温度T,就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。表4-2声速

5、与温度关系表:温度-30-20-10010203040声速 (m/s)313319325332338344350356五、系统框图接收六、单元电路设计原理1、LED显示电路与键盘控制电路设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使 用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单最直观的显示器可以使用LED 发光二极管，而复杂的教完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。综合 课题的实际要求，由于只需显示距障碍物的距离，因此选用LED数码管，通过单片机编程实 现显示。动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是

6、把所 有显示器的8个笔划断adp同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM是各自独立的 受I/O线的控制。CPU向字段输出口送出字型码时，所有显示器接收到相同的字型码，但究 竟是哪个显示器亮，则取决于COM端，而这一端是由I/O控制的，所以我们就可以自行决定 何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的 COM端，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮过程中，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，尽管实际上各位显示器并 非人同时点亮，但只是扫描的速度足够快，绐人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪 烁感。采

7、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，每个数 码管显示数码的笔划信息也分路同时送给，其原理比较简单。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接线口和增用不少硬件芯片，成本较高。因 此，我采用动态扫描。设计的显示电路采用4位一体八段共阴极数码管显示，段码直接由单片机的P0 口来驱动， 因为P0 口的部无上拉电阻，需在外部接上拉电阻；位码则通过4个NPN型三极管来驱动， 同时接单片机P2 口。显示电路如图6T所示。图6-1显不电路在外围的键盘控制电路中，设置了四个独立按键，分别与单片机的P3. 4P3. 7相连，当 按下S1时，启动超声

8、波发射，开始测距；当按下S2时，停止发射超声波，即停止测距；S3 为报瞥开关，当测量到距离过近时，蜂鸣器电路发出警告，此时按下S3键，即可停止报瞥， S4为预留出来的按键，当需要的时候可以实行编程控制。电路设计如图6-2所示。n n n n图6-2键盘控制电路2、超声波发射电路设计超声波的发射和接收是由超声波换能器来完成的，也就是我们俗称的探头。超声波的发 射与接收可采用一体式的或独立式的，但是一体式的盲区问题比较严重，所以本次设计选择 发射和接收探头分开的，具体将采用超声波发射换能器TCT40-16BT和超声波接收换能器 TCT40-16BRo命名规则： 型号：TCT40-16BT 或（R）

9、 类别：TC-压电费超声波传感器；丁一通用性；T发射/R一接收 外径：一16代表中16mm 外壳材料：铝 外壳颜色：银色具体参数： 中心频率：40. 0kHz±1.0 kHz 输出电压：2115dB 接收灵敏度：65dB 静电容量：2000pF±20% 指向角：80。 工作温度：-20+70（超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，而以压电式最为常用。 压电型超声波探头常用的材料是压电晶体和压电瓷，它是利用压电材料的压电效应来工作 的：逆压电效应将高频电振动转化成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；而 利用正压电效应，将超声振动波转化为电信号，可

10、作为接收头。超声波发射电路，是为了让超声波发射换能器TCT40- 16BT能向外界发出40 kHz左右的 方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振 荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机PL0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，一 路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反相器后送到超声波换能器 的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，实际上构成了一个桥 式电路，输入与输出的相位图如图3-4所示，再加上输出端上拉电阻R3

11、, R4, 一方面可以 提高反向器MC14069UB输出高电平的驱动能力，另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。发射电路如图6-3所示。图6-3超声波发射电路3、超声波接收电路设计上述TCT40-16BT发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了 将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器TCT40T6BR进行转换变成电信号，并对此电 信号进行放大、滤波、整形等处理后，这里用索尼公司生产的集成芯片CX20106,得到一个 负脉冲送给单片机的P3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。CX20106A是日本索尼公司生产的红外接收芯片，也适用于超声波接收。其

12、采用单列8 脚直插式，超小型封装。+5V供电。以下是CX20106A的引脚注释：1脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k Q。2脚：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 Q , C=3.3 u Fo3脚：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

13、动作, 推荐参数为3.3u F。4脚：接地端。5脚：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fn,限值越大, 中心频率越低。例如,取R=200kQ时，f0七42kHz,若取R=220kQ,则中心频率f0七38kHz。6脚：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：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 Q ,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：电源正极，4. 5V-5VO接收部分的电路如图6-4所示。图6-4超声波接收电路可以看

14、到，集成芯片CX20106在接收部分电路中起了很大的作用。CX20106是一款应用 广泛的红外线检波接收的专用芯片，也适用于超声波，其具有功能强、性能优越、外围接口 简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz 比较接近，而且CX20106部设置的谑波器中心频率fO可由其5脚外接电阻调节，阻值越大 中心频率越低，围为3060kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106部由前置放大器、 限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。工作过程如下：接收的回波信 号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率

15、 选择，滤除干扰信号，再经整形，送绐输出端7脚。当接收到与CK20106滤波器中心频率相 符的回波信号时，其输出端7脚就输出低电平，而输出端7脚直接接到SST89E564的INTO 引脚上，以触发中断。若频率有一些误差，可调节芯片引脚5的外接电阻R7,将滤波器的 中心频率设置在40 kHz,就可达到理想的效果。4、串口通信与蜂鸣器电路设计由于VCS51使用的是正逻辑的TTL电平，为了达到电平匹配，在MCS51组成系统板 上的RS 口必须经电平转化后输出，可以使用美信MAX232ECA芯片，外围电路非常简单，只 需要4个0.1 uF的电容器，可以实现与计算机的通信，电路如图6-5所示。图6-5串

16、口通信电路如图6-6所示，蜂鸣器的正极接到VCC (+5v)电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的 集电极，三极管的基极经过限流电阻R20后由单片机的Pl. 1引脚控制，当Pl. 1输出低电平 时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制 Pl. 1脚的电平来使蜂鸣器发出声音。当P1.1输出高电平时，三极管截止，没有电流通过线 圈，蜂鸣器不发声。我们在测距过程中，当与障碍物的距离过近，蜂鸣器就可以发出报警音, 起到提示的作用。七、软件设计与系统调试系统软件设计采用模块化设计，主要包括中断主程序、入口程序、定时器0中断程序、 显示子程序、超声波发射子程序、延时子程序

17、、距离计算子程序和报警子程序设计等。1、主程序流程图主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时/计数器模式， 置位总中断允许位EA并清计数器，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到接收器引起的直射波，需要延时0. 1ms (这也就是超声波测距 系统会有一个最小可测距离的原因)后才可打开外部中断0接收返回的超声波信号。由于采 用的是24MHz的晶振，计数器每计一个数就是0.5 us,所以当当主程序检测到接收成功的 标志位后，调用测距子程序，即可算得被测物与测距器之间的距离，最后显示在LED上，主 程序流程图如图7T所示。图77主程序流程

18、图L1发射程序与接收流程图系统软件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和 外部中断引脚的分配和使用。本设计中PL0引脚连接到推挽放大电路再连接到超声波发射 传感器，PL0引脚输出的将是软件方式产生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)则被用来接收回 波。定时器Tl, TO均工作在工作方式1,为16位计数，口定时器被用来开启一次测距过程 以它的溢出为标志开始一个发射测量循环，T0定时器是用来计算脉冲往返时间，它们的初 值均设为0。超声波的接收由接收子程序来执行，接收子程序如图4-2所示。首先初始化，其次发射 超声波，接收端判断是否有回波，若时间大于30ms仍没检

19、测到回波则重新发射超声波；若有回波，通过软件滤波，判断是否为回波信号，是回波，则读取时间，继续调用计算距离子 程序，最后显示出测量的距离。图7-2接收子程序流程图1.2中断子程序及流程图当超声波接收器收到返回的信号会给单片机一个外部中断，在程序中定义为外部中断0, INTO中断在程序中的作用是形成中断进行跳转进入中断子程序，能够实现我在程序设计 上的思维，使整个程序符合逻辑设计。中断子程序流程图如图4-3所示。在程序中应注意进 中断时变量的保存及出中断时变量的恢复。当有外部中断时，将由硬件置位中断标志寄存器 的EXINTFO或EXINTF1位（EXINTFO或EXINTF1位由硬件置位，由软件清零），为避免进 入中断死循环，必须在退出中断子程序时用软件清除该标志位。系统在进入中断时会自动关 中断，之后进入处理子程序。接收中断后，读取定时器值，设置标志位。图7-3中断子程序流程图1.3距离计算与显示子