传感器与测试技术课程设计1

1、传感器和测试技术课程设计主题超声波测距系统设计学校四川广播电视大学专业机械设计制造及其自动化第13510008383022级名字陈康峰学号1351001223255教师熊纪宇完成时间2014年4月18日目录一、课程设计目的2二、课程设计主题2三、课程设计内容和要求21、设计内容22 .设计要求2四、传感器工作原理2五、系统框图图4六、单元电路设计原理41.led显示电路和键盘控制电路设计42 .超声波发送电路设计53 .超声波接收电路设计74 .串行通信和蜂鸣器电路设计8七、软件设计和系统调试91 .主程序的流程图101.1发送顺序和接收流程图101.2中断子程序和流程图111.3距离计算和显

2、示子例程12八、设计中的问题和解决方法13九、参考文献14一、课程设计目的通过传感器及检测技术课程的设计，掌握传感器和检测系统的设计方法、设计原则和相应的硬件调试方法。 进一步理解传感器和检测系统的设计和应用。二、课程设计主题：超声波测距系统设计三、课程的设计内容和要求1 .设计内容使用40KHz的超声波发送和接收传感器测量了距离。 可以使用发射器和接收器之间的距离，或者发射器与接收器可以并行地通过反射器来测量距离。功能：1)LED编码管显示测量距离，精确到小数点后一位(单位： cm )。2 )测量范围： 30cm200cm3 )误差0.5厘米。4 )其他。2 .设计要求1 )掌握传感器的工作

3、原理和相应的辅助电路设计方法。2 )独立设计电路图和相应的硬件电路。3 )设计说明书的格式规范，水平合理，重点突出。 附上详细的电路图四、传感器的工作原理超声波发生器的内部结构是两个压电晶片和一个共振板。 如果对其两极施加脉冲信号，其频率与压电晶片的固有振动频率相等，则压电晶片谐振，使共振板振动，产生超声波。 相反，如果两电极间没有施加电压，则谐振板接收超声波时，压迫压电晶片而振动，将机械能转换为电信号，成为超声波接收波换能器。 在超声波测距中，取输出脉冲的平均值电压，其电压(其振幅几乎一定)与距离成比例，有通过测定电压可以测定距离的方法测定输出脉冲的宽度，即测定发送超声波的时间和接收超声波的

4、时间的间隔t，测距原理如图2-1所示，距离式为s=ct/2，这里通过测量发射器和接收设备之间的距离h，可以利用直角三角形确定。 由于sh，因此d=s，d=s=ct/2。 本测量电路采用第二方式。目标h德. ds图4-1测距原理图在空气中，常温下超声波的传播速度为334米/秒，但其传播速度v容易受到空气中的温度、湿度、压力等的影响，其中温度的影响大，例如温度每上升1，声速就增加约0.6米/秒。 音速和温度的关系如表4-2所示。 因此，在要求测距精度时，有必要用温度补偿的方法来校正传播速度。 知道现场环境温度t后，超声波传播速度v的计算式可以如下近似V=331.5 0.607T这样，如果测定超声波

5、发送和回波接收的时间差t和现场环境温度t，就能正确地计算从发送点到障碍物的距离。表4-2音速和温度的关系表：温度()-30-20-10010203040音速(米/秒)313319325332338344350356五、系统框图六、单元电路设计原理1.led显示电路和键盘控制电路设计显示器是典型的输出设备，其应用非常广泛，并且大多数电子产品必须使用显示器，其差异仅在于显示器的结构类型。 最简单直观的显示器可以使用LED发光二极管，但接受复杂教育的显示器必须是CRT显示器或屏幕大的LCD面板。 综合课题的实际要求是，只显示距障碍物的距离，因此选择LED数字管，通过单片机实现显示。动态扫描显示接口是

6、单片机中使用最广泛的显示方式之一。 其接口电路用adp同名的端部连接所有显示器的8个笔划，各显示器的公共电极COM分别由I/O线控制。 CPU向现场输出端口发送字体代码后，所有显示器都接收相同的字体代码，但哪个显示器点亮取决于COM端，其中一端由I/O控制，所以可以自己决定什么时候显示哪个显示器。 动态扫描是指以分时方式依次控制各显示器的COM侧，并依次点亮各显示器。 在依次点亮期间，各显示器的点亮时间极短(约1ms )，但由于人的视觉上的暂时现象和发光二极管的残光效果，实际上各显示器并不是人同时点亮，但仅是扫描速度足够快，而稳定的显示数据集采用静态扫描方式使LED点亮的数字码管没有位置选择信

7、号，各数字码管同时点亮，针对每个数字码管显示的行程信息也分支并同时发送，其原理比较简单。 静态扫描显示很容易编程，显示清晰，亮度一般很高，但是需要增设很多I/O连接器和很多硬件芯片，成本很高。 因此，我采用了动态扫描。所设计的显示电路使用4位一体的8级共阴极数字编码管显示，段编码由直接单片机的P0口驱动。 P0口的内部没有上拉电阻，所以需要在外部连接上拉电阻的位代码由4个NPN型晶体管驱动，同时连接单片机的P2端口。 显示电路如图6-1所示。图6-1显示电路周边的键盘控制电路设置有4个独立的按钮，分别与单片机的P3.4P3.7连接，按下S1时，启动超声波发送，按下开始测距的S2时，停止超声波发

8、送，即停止测距的S3是报警开关距离太近时蜂鸣器电路会发出警告，此时按S3键停止警报，S4是预约的键，可以根据需要执行程序控制。 电路设计如图6-2所示。图6-2键盘控制电路2 .超声波发送电路设计超声波的收发是由超声波换能器进行的、所谓的我们的通称探测器。 虽然超声波的发送和接收是一体的或者独立的，但是一体的死角问题很严重，所以这次的设计将发送和接收探头分离，具体来说采用超声波发送换能器TCT40-16BT和超声波接收换能器TCT40-16BR。命名规则：l型号： TCT40-16BT或(r )l类别： TC-压电陶瓷超声波传感器t-通用性t-发送/r-接收l外径：-16表示16mml外壳材料

9、：铝l盒色：银色具体参数：l中心频率： 40.0kHz1.0 kHzl输出电压： 115dBl接收灵敏度： -65dBl静电容量： 2000pF20%l指向角： 80l工作温度： -20 70超声波探头根据其工作原理分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等，在压电式中最常用。 压电型超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，利用压电材料的压电效应工作：逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，可以作为发射探头，利用正压电效应将超声波振动波转换成电信号，作为接收头超声波发送电路是为了使超声波发送换能器TCT40-16BT能够向外部发送40 kHz左右的方波脉冲信号。 在40 kHz左右的方波

10、脉冲信号的产生中，通常采用硬件，例如555振动产生，用软件，例如单片机编程输出，或本系统采用后者。 程序从单片机的P1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于从单片机的端口输出不足，故40 kHz方波脉冲信号被分成2个，经过一级逆变器输出到超声波换能器的一个电极上以该推挽形式向超声波换能器的两端施加方波信号，实际上构成桥接电路，如图3-4所示，除了输出端的上拉电阻R3、R4之外，还可以提高反相器MC14069UB的高电平驱动能力发送电路如图6-3所示。图6-3超声波发送电路3 .超声波接收电路设计在从上述TCT40-16BT发射的空气中传播的话，会遇到障碍物而返回。 超声波接收部通过超

11、声波接收换能器TCT40-16BR顺利地接收反射波(回波)，变换为电信号，对该电信号进行放大、滤波、整形等处理后，使用索尼公司制的集成芯片CX20106，进行单片机CX20l06A是索尼制造的红外线接收芯片，也能够应用于超声波接收。 单列8针脚在线方式，采用超小型封装。 5V供电。CX20l06A的管脚注释如下所示1足：超声波信号输入端，该足的输入阻抗约为40k 。两只脚：该脚与GND连接RC串联网络，是负反馈串联网络的一部分，可以通过改变它们的数值来改变前置放大器的增益和频率特性。 如果增大电阻r或减小c，则负反馈量变大，放大率下降，相反放大率变大。 但是，c的变化影响频率特性，一般而言不需

12、要在实际使用中变更，推荐选择参数为R=4.7 、C=3.3 F。3足：在该脚和GND之间连接检波电容，电容以平均值进行检波，如果瞬间灵敏度低的电容小，则成为峰值检波，虽然瞬间灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，容易误动作，因此推荐参数为3.3 F。四脚：接地端子。5脚：该脚在电源端子VCC上接通电阻，设定带通滤波器的中心频率fn，电阻值越大，中心频率越低。 例如，当R=200k时，设为f042kHz，当R=220k时，设为中心频率f038kHz。六条腿：这条腿和GND之间有积分电容，基准值为330pF，该电容过大的话，检测距离就会变短。7脚：遥控器指令的输出端子是集电极开路的输出方式，因此该

13、端子必须在电源端子上连接上拉电阻。 该电阻的推荐电阻值为22k ，在没有接收信号的情况下该端子的输出为高电平，在有信号的情况下降低。8脚：加电源，4.5V5V。接收部分的电路在图6-4中示出。图6-4超声波接收电路可以看出，集成芯片CX20106在接收部分的电路中起到很大的作用。 CX20106是应用广泛的红外线检测接收的专用芯片，也适用于超声波，具有功能强、性能优异、外围接口简单、成本低等优点。 因为红外线遥控器常用的载波频率38 kHz和测距的超声波频率40 kHz比较接近，所以设置在CX20106内部的滤波器中心频率f0可以用其5脚的外置电阻调节，电阻值越大中心频率越低，范围为3060

14、kHz。 这次设计中将其作为接收电路。 CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整形电路构成。 在操作过程中，接收到的回波信号通过前置放大器和限幅放大器，将信号调节为适当振幅的矩形脉冲，用滤波器进行频率选择，去除噪声信号，并整形后发送给输出端子7脚。 当接收到与CX20106滤波器的中心频率一致的回波信号时，其输出端子7脚输出低电平，输出端子7脚被直接连接到SST89E564的INT0端子，以触发中断。 如果频率有一些误差，只要调节芯片引脚5的外置电阻R7，将滤波器的中心频率设定为40 kHz，就能获得理想的效果。4 .串行通信和蜂鸣器电路设计因为MCS-51使

15、用正逻辑的TTL电平，所以为了实现电平匹配，MCS-51可以使用美国信号MAX232ECA芯片，其中在系统板上的RS端口必须进行电平转换和输出，并且外围电路非常简单，0.1F图6-5串行通信电路如图6-6所示，蜂鸣器的正极与VCC(5v )电源连接，蜂鸣器的负极与晶体管的集电极连接，晶体管的基极通过限流电阻R20由单片机的P1.1管脚控制，当P1.1输出低电平时因此，通过用程序控制P1.1脚的电平，就能发出蜂鸣器。 P1.1输出高电平时，晶体管关闭，线圈不流过电流，蜂鸣器不响。 我们在测距中，如果和障碍物距离太近，蜂鸣器会发出警报音，起到提示的作用。图6-6蜂鸣器电路七、软件设计和系统调试系统

16、软件设计采用模块设计，主要包括中断主程序、入口程序、计时器0中断程序、显示子程序、超声波发送子程序、延迟子程序、距离计算子程序、警报子程序设计等。1 .主程序的流程图主程序首先初始化系统环境，将计时器T0的操作模式设置为16位定时/计数器模式，位置总是中断许可位EA，清除计数器，然后调用超声波产生子程序发送超声波脉冲。 为了避免超声波从发射机直接传递到接收机而产生的直接放射波，在打开外部中断0接收的超声波信号之前，需要延迟0.1ms (超声波测距系统有最小可测量距离的原因)。 由于采用了24MHz的水晶振子，所以每一个计数器的数量为0.5s，主程序检测出接收成功的标志位后，调用测距子例程，就能计算被测量物和测距器之间的距离，最后在LED上显示的主程序的流程图图7-1主程序的流程图1.1发送顺序和接收流程图系统软件必须分配和使用内存空间、寄存器、计时器和外部中断引脚，同时考虑到相