机电一体化(超声波测距)

1、 机电一体化课程设计说明书目录1.课程设计目的11.1.设计的意义12.内容及要求24.1.设计内容24.2.设计要求24.3.超声波测距应用：33.系统工作原理44.系统框图74.1.超声波测距系统框图74.2.超声波发送与接受时差波形图75.单元电路设计原理85.1.发射部分电路85.2.接收部分的电路95.3.单片机外围电路原理图115.4.软件设计流程图146.调试与下载156.1.Keil软件介绍156.2.程序调试156.3.设计中的问题及解决方法167.设计总结178.参考文献18附录1:相关程序19附录2:实物照片22附录3:原理图231. 课程设计目的通过机电一体化课程设计，

2、使我们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。进一步理解超声波及检测系统的设计和应用。机电一体化系统综合设计课程设计是大学生在完成专业课学习后,一个重要的综合性、实践性教学环节，总的目的是在老师的指导下,使学生通过课程设计,对所学课程理论知识进行一次系统的回顾检查复习和提高,并运用所学理论,通过调研,设计一个机电控制方面的课题,受到从理论到实践应用的综合训练，培养学生独立运用所学理论解决具体问题的能力,具体有以下几点：  1、通过检索查阅运用有关手册、标准及参考资料，培养起学生检索查阅资料、使用资料的方法和能力。  2、通过回顾查

3、阅课程理论知识、运用所学的基础课,专业技术课和专业课知识，培养学生根据实际问题正确设计总体方案, 分析具体问题、进行工程设计的能力。 3、了解元器件的基本用途和方法，学会独立设计制作控制电路，积累更多设计经验，加强实际动手能力。1.1. 设计的意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住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大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要

4、。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。 2. 内容及要求4.1. 设计内容 设计一个超声波测距系统，通过超声测距仪的原理是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，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中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间

5、差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(t/2)*C 式中 L要测的距离 T发射波和反射波之间的时间间隔 C超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。4.2. 设计要求 设计一套基于单片机控制的超声波测距系统（1）、绘制远程超声波测距系统电路图，分析电路工作原理；（2）、绘制电路PCB图（3）、控制系统电路的制作（4）、安装调试（5）、编写设计说明书； 本次设计采用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。实现功能要求：包括以下内容： 超声波收发传感器 四位

6、LED数码显示(也可用LCD）； 四位按键（四个按钮和蜂鸣器属于功能预留，程序中无定义） 电源部分使用计算机USB的5V电源或外接5V电源输入测量范围可达0.015米， 测量精度为1厘米 加温度补偿电路超声波测距系统的安装，调试4.3. 超声波测距应用：1. 超声波流量计：测量水的流速，这是因为超声波是一种机械波，依靠介质才能传播，其传播方向受介质运动影响，因此，水可以改变传播方向。进而可以做出超声波流量计，可应以自来水、工业用水、农业用水等进行测量。还适用于下水道、农业灌渠、河流等流速的测量。2. 超声波测距仪：用以测量液位、井深、管道长度、建筑测量、厚度测量等。3. 报警器：盲人探路器、防

7、盗报警等4. 定位系统：用以探测超声波发射源位置，在生活中有重要意义，如人说话、呼吸的时候不光产生声波，同样也会产生部分超声波，呼出的气体分子与空气分子碰撞就产生超声波。气管漏气，轮胎漏气，阀门泄漏、阀门气蚀、齿轮运行、电晕放电等都会产生超声波。通过接收器看以看出哪里有漏洞。3. 系统工作原理设计的整体框图如图1所示，主要由超声波发射，超声波接收与信号转换，按键显示电路与温度传感器电路组成。超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离L=CT2，式中的C为超声波波速。在常温下，空气中的声速约为340ms。由于超声波也是一种声波，其传

8、播速度C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。因为本系统测距精度要求很高，误差<0.5cm，所以通过对温度的检测对超声波的传播速度加以校正。超声波传播速度确定后，只要测得超声波往返的时间，如图2所示，即可求得距离。这就是超声波测距系统的基本原理。超声波在相同的传播媒体里 (大气条件) 传播速度相同, 即在相当大的频率范围内声速不随频率变化, 波动的传播方向与振动方向一致, 是纵向振动的弹性机械波, 它是借助于传播介质的分子运动而传播的, 波动方程描述方法与电磁波是类似的。 式中, A (x ) 为振幅, A 0 为常数, 为圆频率, t 为时间, x 为传播距

9、离, k= 2/为波数, 为波长, 为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为=af2 （3）式中, a 为介质常数, f 为振动频率。在空气里, a =2×10- 13 s2/cm, 当振动的声波频率f = 40kHz (超声波) 代入式(3) 可得 a = 3.2×10-4 cm-1 , 即1/= 31m;若f = 30 kHz, 则1/= 56m。它的物理意义是: 声波在空气媒质里传播, 因空气分子运动摩擦等原因, 能量被吸收损耗。在 (1/) 长度上, 平面声波的振幅衰减为原来的e 分之一, 由此可以看出, 频率越高, 衰减得越厉害, 传播的距离也越短。考虑实

10、际工程测量要求,在设计超声波测距仪时, 选用频率f = 40kHz 的超声波, 波长为34000/40000=0.85cm。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，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。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2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，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

11、。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图3-1所示： 超声波发射 障碍物 S H 超声波接收图3-1 超声波的测距原理 （3-1） （3-2）式中:L-两探头之间中心距离的一半.又知道超声波传播的距离为: ( 3-3)式中:v

12、超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间.将（32）、（33）代入（3-1）中得： ( 3-4)其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(34)变为: ( 3-5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.借鉴思路：4. 系统框图4.1. 超声波测距系统框图 如下（图1） 图 1 超声波测距系统框图4.2. 超声波发送与接受时差波形图如下（图2）图2 超声波发送与接受时差波形图5. 单元电路设计原理5.1. 发射部分电路发射部分电路如图3所示，主要由脉冲调制信号产

13、生电路，隔离电路以及驱动电路组成，用来为超声波传感器提供发送信号。脉冲调制信号产生电路中通过单片机对 555定的复位(RESET)端的控制，使555定时器分时工作从而生产生脉冲频率为40KHz，周期为30ms的脉冲调制信号，信号波形如图2所示，本设计中一个周期内发送10个脉冲信号。隔离电路主要是由两个与非门组成，对输出级与脉冲产生电路之间进行隔离。输出级由两个通用型集成运放TL084CN 组成，由于超声波传感器的发射距离与其两端所加的电压成正比，因此要求电路要产生足够大的驱动电压，其基本原理就是一个比较电路，当输入信号 Vi>25V时，运放A的输出电压VA=+12V，运放B的输出电压VB

14、=-12V，当输入信号Vi<25V时，运放A的输出电压 VA="-12V"，运放B的输出电压VB=+12V，所以在超声传感器两端得到两个极性完全相反的对称波形，即VB=-VA，所以加在超声波传感器两端的电压V=VA-VB=2VA，其两端的电压可达到24V，从而保证超声波能够发送较远的距离，提高了测量量程。图3 超声波传感器的发射电路5.2. 接收部分的电路接收部分的电路由放大电路，带通滤波电路以及信号变换电路组成。放大电路和带通滤波电路如图4所示。由于超声波信号在空气中传播时受到很大程度的衰减，所以反射回的超声波信号非常的微弱，不能直接送到后级电路进行处理，必须将信号

15、放大到足够的幅度，才能使后级电路对它进行正确的处理。前置放大电路是由集成运放组成的自举式同相交流放大电路，具有很高的输入阻抗，C5，C6，C7为隔直电容，R5，R6，R7为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。带通滤波器采用二阶RC有源滤波器，用于消除超声波传播过程中受到的干扰信号的影响。该电路为二阶压控电压源带通滤波电路，图4中RW，C10组成低通滤波网络，C9和R12组成高通滤波网络，两者串联组成了带通滤波电路。集成运放和电阻R9，Rl0一起组成同相比例放大器，为了使电路能够稳定工作，必须保证同相比例放大器的增益AV<3，带通滤波器的中心频率0=40kHz，电路参数可通过AV=1+R

16、9R10和0=1R12C2(1RW+1R13)确定。经过带通滤波后的信号经专用仪表放大器AD620进行放大，然后送到信号变换电路，信号变换电路主要将接收到的包络信号变换成单片机的中断触发信号。由包络检波电路，电压比较器和RS触发器组成。包络检波电路由二极管D3，电阻R19，和电容C13组成。经过包络检波得到的信号如图6中的V2所示。电压比较器由集成运放和电容电阻组成，为了消除发送探头的干扰信号，我们将单片机P12输出的信号加到电压比较器的同相端，它的波形是250s的高电平，和29750s低电平的方波，通过二极管D3将P1.2和比较器的正向端隔离。当P12输出高电平时，通过二极管对电容C14充电

17、，由于二极管是正向导通的，所以充电很快，当P12输出为低电平时，二极管反向截止，电容通过电阻RW和R21放电，由于总电阻比较大，所以放电很缓慢，波形如图6中V3所示，从图中可看出，在没有收到返回信号时，比较器输出高电平，如果收到返回信号，比较器便输出低电平，输出波形如图7中Vo所示，通过这种方法就可以消除发射探头对反射回的信号的干扰。图4 放大电路与带通滤波电路图5 信号变换电路图6 电压比较器电路波形电压比较器的输出信号送到基本RS触发器用于产生单片机所需的中断信号。基本RS触发器由与非门组成，同时由单片机进行控制，如图6所示。在发送端发送超声波信号时，P12输出高电平，经过反相器后，变为低

18、电平加到触发器的R端，因为没收到反射信号之前，电压比较器输出为高电平，所以基本RS触发器的输入分别为，R=O，S=l，为0态，即Q=0，Q=1，Q的信号加到单片机的中断输入端，因为单片机的中断为下降沿触发，输入为高电平，不产生中断。当发送完毕时，P12输出低电平，经反相器，变为高电平送到触发器的R端，没有收到反射回的信号时，电压比较器输出仍为高电平，所以基本RS触发器的 R="1"，S=1，为保持状态，即Q=1，Q=0，也不产生中断。当接收到反射回的信号时，电压比较器输出低电平，因此，基本RS触发器的输入端 R="1"，S=0，触发器工作在0态，即Q=O

19、，Q=1。单片机的中断输入端的电平由高电平变为低电平，从而使单片机产生中断5.3. 单片机外围电路原理图单片机的外围电路图如图7所示，显示电路由单片机控制七段数码管进行显示，采用数字温度传感器DS18820对环境温度进行检测，从而对超声波的传播速度进行温度补偿，提高测量精度。两个按键用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。 图7超声波发送原理图图8 单片机外围电路原理图5.4. 软件设计流程图 如下（图9）,软件设计包括三个部分，主程序，定时中断程序和外部中断程序。 主程序流程图 定时中断服务子程序 外部中断服务子程序图9 软件流程图主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控

20、制。定时中断服务子程序完成三个方向超声波的轮流发射，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。6. 调试与下载6.1. Keil软件介绍 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的

21、一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标

22、准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。6.2. 程序调试 本次设计所用程序使用Keil uV4开发调试，程序调试编译成功如图18所示： 图116.3. 设计中的问题及解决方法（1）基本上能完成实时测距并显示任务，但是由于接收电路干扰过大时整个测距系统工作不是很稳定，尽管软件中进行了数据的处理，但最后效果还是不太理想，有待改进。（2）由于超声波发射器的输出功率有限，如果缩短测试脉冲时间，意味着减小了测试脉冲的输出功率，在测试距离增加时，会使反射回来的信号很弱，造成仪器在长距离

23、测量时受到影响。（3）由于超声波信号在空气中传播时受到很大程度的衰减，所以反射回的超声波信号非常的微弱，不能直接送到后级电路进行处理，必须将信号放大到足够的幅度，才能使后级电路对它进行正确的处理。（4）将单片机P12输出的信号加到电压比较器的同相端，以达到消除发送探头的干扰信号。7. 设计总结 本次课程设计是对过去所学专业知识的一次全面而综合的运用，由于时间和其它客观上的原因，此次设计做出的实物比较简单。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

24、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 AT89C51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P1.0端口输出超声波换能器所需的 40kHz的方波信号，利用外中断 0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4位共阳LED数码

25、管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。在这次设计过程中我全面的温习了以前所学过的知识，包括机械专业知识以及单片机编程、数字和模拟电子技术相关知识以及PCB板的原理图、PCB图的绘制等知识，经过复习整理曾经所学过的专业知识，是的设计思路清晰、系统。通过设计，使我更加接近生产实际，锻炼了将理论知识运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固和加深了有关机电一体化设计方面的知识和能力。 本次设计使得我在机械、电子、控制等方面有了进一步提高。感谢老师给了我们这样的机会！8. 参考文献1 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10 2 时德刚，刘哗.超声波测距的研究.

26、计算机测量与控制，2002.10 3 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .5 4 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 6 5 陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术(第二版).武汉：华中理工大学出版社，1999.4 6 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6. 7 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.7 8 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.10 1 附录1:相关程序课程设计程序文件：超声波测距程

27、序.c#include"12864_86.h" #include"18b20.h"#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define ulong unsigned long/*超声波检测引脚和变量定义*/sbit Trig=P00;/ 定义HC-SR04发送端sbit Echo=P01;/定义HC-SR04接收端extern uchar bb5;extern uint sdate;uint s,time,flag;uint Tn;float Vs;/*/uchar b5;uchar c

28、ode table2='0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'/*延时MS函数*/void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);/*/*延时uS函数*/void delay_uS(uint z) while(z-);/*/*计算距离函数*/void count(void) time=TH0*256+TL0;

29、/检测 所需时间 TH0=0; TL0=0; s=time*Vs*1.12; / 计算距离，算出来的单位是CM b0=table2s/1000; b1=table2s%1000/100; b2=table2s%100/10; / b3=table2s%10; b3='0'/*/*T0中断函数*/void Time0() interrupt 1 /T0中断用作计数器溢出，超出测距范围 flag=1; /中断溢出标志/*/*启动模块函数*/void startmodle(void) /启动检测模块 Trig=1; /启动一次检测模块 delay_uS(20); Trig=0; /停止向检测模块Trig端发送高电平/*/*中断初始化函数*/void InterruptInit(void) /中断初始化 TMO