传感器超声波测距系统设计

1、吉林建筑工程学院电气与电子信息工程学院传感器及检测技术课程设计报告设计题目： 超声波测距系统设计 专业班级： 电子信息科学与技术 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2012.6.42012.6.15目 录摘要.I Abstract.II第1章 绪论.11.1背景和意义.11.2国内外发展情况.11.3系统功能.1第2章 总体方案设计.32.1系统框图.32.2器件选择.32.3设计方案.3第3章 硬件设计.53.1发射电路设计.53.2接收电路设计.53.3显示模块的设计.63.4温度处理电路设计.63.5报警电路处理模块.73.6处理器AT89S51 7第4章 系统软件设计94.

2、1软件流程图.9第5章 总结11 参考文献.12附录I13 附录：程序清单.14摘要超声波是一种特殊的声波，为直线传播方式，频率越低，绕射能力越弱，反射能力越强，利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器。本次论文介绍了一种以单片机作为微处理器的超声波测距系统, 利用超声波传感器的测距原理并配合显示器,制成了低成本智能超声波测距系统。分析了环境温度对波速的影响，介绍了几种提高测量精度的方法，给出了电路原理图和软件设计流程图。 实验结果验证了本系统具有成本低、精度高、电路简单以及抗干扰性好等优点,可以广泛地应用于一些中小规模的测量系统。AbstractUltrasonic is a kind of

3、 special sound waves which transmitted in straight lines. The lower the frequency is , the worse its diffraction ability and the better its reflection ability will be. Such performance of ultrasonic can be used to make ultrasonic sensor. This paper presents an ultrasonic distance measurement system

4、which take use of the distance measurement principle of ultrasonic sensor provided with monitor to make a lower-cost intelligent ultrasonic distance measurement system. It analyzes the interference of environmental temperature towards wave speed, introduces several methods to improve measurement pre

5、cision and also presents the flow chart of circuit principle and software design. The experimental result shows that this system processes many advantages, such as low cost, high precision, simpleness, anti-jamming etc. It can be widely applied to some medium and small scale measurement system.第1章 绪

6、论1.1背景和意义人类了解声波的时间并不长，对超声波这一耳不能闻的物质的了解更是近代历史才涉足。如同人类知道可见光只占整个光世界的一部分一样，人耳能听见的声音只占整个声波世界的一部分，人类感官能直接感觉到得，对它的认识就要多，而不为感官所感觉的就要认识的少，可是恰恰是这不为人类所认识的部分，却为我们的世界带来了不小的改变。声和光是我们认识世界的最直接的感觉，现行很多科学技术都是以声和光为手段完成的。今天，我所完成的系统设计就是以超声波为媒介，来完成物体之间距离的测量。说道测距，时至今日方法数不胜数，有电阻抗测量方式、光强测量方式以及原始的机械计数测量，它们各有特点，应用在不同的领域，共同为我们

7、的生活带来便捷。超声波测距最主要的是利用声波的强反射性，与光和点的测量不同，它单一、结构简单，无需配备附属的器件。电测量利用电阻抗的相对变化，多数需要成对的器件来引起阻抗的变化；光测量多需要感光物质，虽然它测量精度极高，但器件精细贵重，不易普遍采用。超声波测距只需将探测头对准物体，测量简单方便，适用在精度要求不高的场合。1.2国内外发展情况超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间

8、差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，目前国际上设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。1.3系统功能介绍由于超声波是高频波，不能被人耳所听，因此它得以用在对环境条件要求严格的地方。目前所知，日常生活应用方面：由于人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市车辆逐渐增多，因为停车不当而造成的交通事故也越来越多。为了避免此类事故的发生，一个能够直观的测出汽车与障碍物之间的距离的装置就变得十分必要。它可以即使将车辆与障碍物之间的距离反映出来，给司机更准确的信息和更多的反应时间，减少事故的发生；军事方面：超声波声纳已经广泛的应用于侦查探测等方面，如何提高期测量精度已经是

9、正在着重研究的课题之一；工业应用方面：超声波测距仪的设计方便了管道的距离探测，消除了一些空间方面的限制。第2章 总体方案设计本设计采用单片机为主控，力求测量、检测、显示、报警于一体，避障系统要求结构简单、便于操作、成本低廉、适用范围广泛。2.1系统框图在本次设计中，我以51单片机为主控芯片，各部分功能用外部电路来完成，这其中包括了电源电路、报警电路、温度电路，声波发射电路、声波接收电路以及用于显示的显示电路，各部的关系如图21所示：2-1 设计思路框图2.2器件选择本次超声波测距器由单片机计时及控制电路、超声波发射电路，超声波检测接收电路、温度时时检测电路、报警警示电路、显示电路等部分组成，采

10、用AT89C51单片机作为计时主控制器，用TCT4016T作超声波的发射器，用TCT4016R作超声波的接收器，在接收电路的处理模块采用的是专业的超声波测距处理软件TL852，显示电路采用了74LS244为处理芯片。2.3设计方案电源电路为单片机提供电源，由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，由P3.6口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。该测距装置

11、是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图2-3所示。图2-3 时序图单片机在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。第3章 硬件设计3.1发射电路设计由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，我所选用的是74HC04集成芯片，图3-1发射电路图图3

12、-1 发射电路3.2接收电路设计超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经过放大。本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图3-2所示。图3-2 接收电路3.3显示模块的设计LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。LED数码管结构简单，价格便宜。图3-3示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。图3-3(a)为八段共阴数码显示管结构图，图3-3(b)是它的原理图，图3-3(c)为八段共阳LED显示管原理图。八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管

13、脚相连。七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。图3-3 八段LED数码显示管原理和结构3.4温度处理电路设计为满足精度要求，在整个设计中，我们考虑温度的影响。温度传感器种类众多，在高精度，高可靠性的场合，由DALLAS公司生产的DS18B20将作为首选，它体积小、功率小、抗干扰能力强，DS18B20精度高，能精确到0.50C的测量精度，而且响应时间短，750ms的工作周期，保证了及时性，DS18B20还具有全数550C+1250C都能工作字转化输出，先进的但数据总线通信，测量范围广，在-的优点。本设计采用DS18B20作为温度处理模块，其电路连接如图3-4所示：图3

14、-4 温度模块电路图 11在考虑温度因素后，不采用前面的公式，因为DS18B20输出的是摄氏度的数据，而采用以下的公式进行换算处理：T=c+273 （3-1） v=331.41+v=331.41+T （3-2）273c+273 （3-3） 2733.5报警电路处理模块依靠超声波测量距离之后，由MCU处理，由于是避障系统，当距离达到或小于某一数值时，希望能被报警，引起警戒，所以设计中加入了报警系统，它由单片机控制蜂鸣器来工作。我们设定S0为警戒报警值，当S>S0时，单片机一引脚导通，经三极管对信号放大，蜂鸣器响起，其电路图如图3-5所示：图3-5 蜂鸣报警电路3.6处理器AT89S51本次

15、设计的处理器，我采用了目前应用较多的51系列单片机AT89C51单片机，AT89C51的优势在于片内有Flash存储器，它继承了MCS51的原有功能，能和其他一些AT89系列单片机兼容。AT89C51单片机内部结构及主要性能特点：40个引脚，双列直插式封装；有4个8位I/O借口，有全双工增强型UART，可编程串行通信；2个16位定时/计时器；5个中断源，2个中断优先级；有片内时钟振荡器（全静态工作方式，024MHz）；有128字节内部ROM，4KB Flash ROM(可以擦出1000次以上，数据保存10年)；电源控制模式灵活（时钟可停止和恢复，空闲模式，掉电模式）。另外，其程序的下载简单，生

16、成程序简单，应用C语言完成编写。图3-6 单片机引脚功能第4章 系统软件设计4.1软件流程图单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出P0、P1和P2口显示。综合以上的分析可得到系统主程序流程图，系统主程序的流程图如图4-1所示，中断处理流程图如图4-2所示。图4-1 系统主程序流程图图4-2 中断处理程序流程图第5章 总结本学期传感器的课程设计，目的是通过我们的动手能力和思

17、维，完成对超声波的认识和应用，对单片机AT89S51的学习，通过实际操作和上网查阅相关资料，更好的对超声波测距系统的掌握。课程设计过程中，遇到了许多问题，对专业知识掌握的不够扎实，会在设计时方向有些偏，或者程序设计的冗长，做了不少无用功，这些都是对知识掌握的不熟练导致的，还有就是对各器件应用的不熟练，这些问题在课程设计中充分的体现出来了，不过通过此次课程设计，也让我认识到了，专业课的重要性，以前感觉这些课程有些没什么用处，现在通过课程设计，感觉到自身的不足，专业知识的欠缺，尤其是对专业中要用到的一些器件知识掌握的不熟练，这些都是我在今后的学习生活中需要充实自己的地方。这次设计中，很多知识都快忘

18、了，过程中总要翻看原来的笔记才能勉强设计，通过设计此装置，深刻的明白了它的工作原理，内部结构，应用意义，性能等方面。在设计的过程中，使我在满足设计要求的条件下，广开思路，大胆创意，并到图书馆，网上翻阅和搜集相关资料，为这次设计作了准备。通过对超声波测距系统的设计，不仅使我了解到目前该系统应用的广泛和意义，同时也对单片机AT89S51的知识掌握的更加牢靠，对今后的学习和工作有很重要的影响。参考文献1.梁森 欧阳三泰·自动检测技术及应用·机械工业出版社·20112.张毅刚·单片机原理及应用·高等教育出版社·20103.胡汉才·单

19、片机原理及系统设计·清华大学出版社·20044.何立明·单片机应用技术选编·北京航空航天大学出版社·20085.阎石·数字电子技术基础·高等教育出版社·20036. 胡均安·工程测试技术基础·华中科技大学出版社·2000附录I：附录：程序清单#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define ulong unsigned long#define uint unsigned intsbit P36=P36;sbit P32=P32;uc