基于单片机的数字式超声波测距仪设计..

1、河南机电高等专科学校课程设计报告课程名称：计算机控制技术题目:基于单片机的数字式超声波测距仪设计系部名称：自动控制系专业班级：电气自动化技术姓 名:学 号:2014年12月24日目录第一章 系统分析 11.1 功能简介 11.2 方案选择 11.2.1 超声波发射电路 11.2.2 超声波接收电路 3第二章 硬件电路设计 62.1 系统总体框图 62.2 各部分电路图 62.2.1 单片机电路 62.2.2 超声波发射电路 72.2.3 超声波接收电路 72.2.4 LCD 液晶显示电路 8第三章 软件设计 93.1 主程序流程图 93.2 各主要功能子程序流程图 9第四章 总结 114.1

2、设计中的优缺点 114.1.1优点 114.1.2缺点 114.2 系统性能分析 11参考文献 12计算机控制技术课程设计第一章系统分析1.1功能简介超声波测距的原理为超声波发生器 T在某一时刻发出一个超声波信号，当这 个超声波遇到被测物体后反射回来， 就被超声波接收器R所接收到。这样只要计 算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：d=s/2=(c x t)/2 其中，d为被测物与测 距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器TO,利用定时器的计数功能记录超声波发

3、射的时间和收到反射波的时间。 当收到超声波反射波时，接收电路输出 端产生一个跳变信号，在INTO或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外 部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。1.2方案选择1.2.1超声波发射电路(1)分立兀件构成的发射电路VCCVCC图1-2-1分立元件构成的超声波发射电路图1-2-1是由两只普通低频小功率三极管 C9013构成的振荡、驱动电路，三 极管T1、T2构成两级放大器，但是由于超声波发射头的正反馈作用，这个原本 是放大器的电路变成了振荡器。超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联LC谐振电路，具有选频作用，因此该振荡器只能振荡在超声波发射头

4、的固有谐振频 率Of。第二个图中用电感L替代3R这样可以增大激励电压，使其具有较大的功 率输出。（2）由集成电路构成的发射电路*iav17图1-2-2 555构成的超声波发射电路图1-2-2为由555集成芯片构成的振荡、调制、激励电路。该电路应使用双 极型555 （内部电路由普通三极管构成），不宜使用单极型 7555 （内部电路由 CMO电路构成，外部引脚与555相同），其原因是7555带负载能力小。图1-2-3由非门构成的超声波发射电路图1-2-3是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构成的电路简单，调 试容易。很容易通过软件控制。图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提 高其吸入电流，

5、电路驱动能力提高。1.2.2超声波接收电路(1)由分立元件构成的接收电路图1-2-4分立元件构成的超声波接收电路图1-2-4为由三极管T1,T2和若干电阻电容组成的两级阻容耦合交流放大电 路。第一级中3R为集电极负载电阻；2R为偏流电阻，同时引入了交直流并联电 压负反馈，可以较有效的稳定静态工作点，改善非线性失真以及增益的稳定性； 4R是发射极负反馈电阻，引入直、交流串联电流负反馈，具有稳定工作点、增 益、改善失真、提高输入阻抗等作用。(2)由运算放大器构成的接收电路图1-2-5运放构成的超声波接收电路图1-2-5是由运放构成的超声波放大电路，该电路的形式在其他应用中经常遇到，特点如下：1）一

6、般式用运放组成的放大电路都要求对称的正负电源供电，这里以单电源供电，输出端的静态电位必须设置在1/2的电源电压，这由同相输入端的点位 来确定，1R和2R分压取得1/2的电源电压加到运放的同相输入端，使其电位1/2 电源电压。2）采用同相端输入方式其输入阻抗高，超声波接收传感器的输出信号接到 放大器的同相端，有利于超声波传感器充分发挥接收灵敏度和自生的选频作用。3） 反相端对地不提供直流通路，因此通过隔直电容2C提供直流通（3）LM1812收发集成电路构成LM1812是一种专用于超声波接收和发送的集成电路，它即可做发送电路， 又可以做接收电路使用。如下图所示：图1-2-6由LM1812构成的接收

7、电路(4)CX20106勾成的接收电路JlCjJQinccm 寸 s 9 z gCSB40RR4寸吐 比orVCCLL2rIGND图1-2-7 CX20106构成的接收电路以上为常用的发射和接收电路，分立元件构成的收发电路容易受到外界的干 扰，体积、功耗也比较大。而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可 靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以首先考虑采用集成电路来 组成收发电路。在由集成电路构成的收发电路中，发射电路我们选用由非门构成，接收电路 采用由红外接收检波芯片 CX20106构成，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、 可靠性好。第二章硬件电路设计2.1系统总体框图图2-

8、1系统总体框2.2各部分电路图2.2.1单片机电路U1R,4nPIOwPT2TOPUPT5pTKP17Tr硬ESZP36- irrr1r-3112?O.liiiT 12M*PI .0VCCPIPL2H11Pi 3HJ2PI,4HJ.1PI .5K14Pl .6F0.5PI .7RSTP0,7(RXD)P3 (1IA/VPPCXDFLlALBFROG(INJPJP3.2PSI列(INT1K5.3K7OOJP3.4P2.6P2.5(WRJP3.6P2.4(RDa5 7pnXTAL2P2.2KTALlP2.1GNUP20VCCJ力P225_陀I21P20图2-2-1最小系统222超声波发射电路图2-

9、2-2超声波发射电路2.2.3超声波接收电路图2-2-3超声波接收电路224 LCD液晶显示电路1602 J7-112345678910111213141516KRS,11* 11LCD EMDODID2D3D4D5D61TD71in1 V图2-2-4 1602 液晶显示模块第三章软件设计3.1主程序流程图i,开系统初始化数据处理执行报警发射方波脉神LCD显乔 骨计时返回结束图3-1-1系统流程图3.2各主要功能子程序流程图图3-2-1定时中断服务子程序图3-2-2外部中断服务子程序第四章 总结4.1 设计中的优缺点4.1.1优点超声波测距仪在使用过程中不受光照度， 电磁场， 色彩等因素影响。

10、 结构简 单，成本低。在机器人避位和定位，汽车倒车，水库液位测量等很多方面都有广 泛的实际应用。4.1.2缺点由于温度影响超声波在空气中的传播速度， 超声波回波很难精确捕捉到， 至 使超声波在空中的传播时间很难精确测量到。 这些因素使得超声波测距地精度和 范围受到影响。4.2 系统性能分析测距仪在进行长距离测距时精度会降低， 发射的脉冲数应选择合适， 脉冲个 数多时，发射换能器可以克服其震动惯量而获得充分的振动， 其它声波模式影响 较小，发射的超声脉冲能量大； 但此时测距的盲区也大 （是指可以测量的最小距 离），一般选择有 8 个脉冲组成，电路在六米的测量结果，幅值较小，功率管发 热发热严重， 这说明功率消耗过大。 改善了换能器与功放间的阻抗匹配转换效率 明显提高。经过严格的调试，是个参数都得到优化，电路控制方便，性能表现良 好，实现了大范围的超声测距， 使用脉冲回波测量距离， 考虑温度对回波速度的