手持测距仪设计总结报告

1、产品设计报告（2011-2012学年第二学期）课程名称 学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 同组者姓名 任课教师 完成日期 目录引言-3任务分析-3方案初步设计-3产品详细设计-4 硬件设计-4 软件设计-7调试和测试-9总结-10参考文献-11引言随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和

2、超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。（2）超声波对

3、外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。 （3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视1、任务分析设计并制作一个可以测量距离并产生报警信号的手持测距仪，电路系统主要结构如图1所示超声波发射电路超声波接收电路 单片机最小系 统片机显示电路报警电路图 1手持测距仪要求结构图2、方案初步设计任务要求 1、基本要求 可以测量距离为0.4m0.8m的障碍物，测量精度为5cm。 可通过LCD显示可测范围内障碍物实际距离，并相应产生示意图报警信息。 当障碍物距离小

4、于0.2m时，声音报警长鸣，LCD显示“<0.2m”。2、 发挥部分 可以测量距离为0.2m1.0m的障碍物，测量精度为2cm。按照手持测距仪设计任务与要求，本项目的主要构想是：超声波发射电路每隔一段时间发出一段超声波信号，然后超声波接受电路检测是否有该超声波信号被反射回来；如果有，则计算信号被发射到被接受的时间间隔，同时根据声波在空气中340m/s的传输速度及一半该时间间隔计算出障碍物与手持测距仪的距离，通过现实电路来现实结果，并根据测距离判断是否进行报警。此外，有温度测量电路测的环境温度并进行显示，当温度超过键盘设置范围则现实报警信息。系统由以下几部分构成：超声波发射电路，超声波接受

5、电路，温度测量电路，单片机最小系统，人机借口电路，系统构想总体方案框图如图2。超声波发射电路单片机最小系统片机超声波接受电路显示电路报警电路温度测量电路键盘电路图 2系统构想总体方案框图3、产品详细设计 3.1、硬件设计 3.1.1超声波发射电路采用555定时器电路产生频率为40KHz、占空比为50%的方波信号，再经六反向器CD4069形成推挽激励来驱动超声波发射传感器，超声波发射强度提升了一倍。同时，发射电路由单片机的发射控制信号引脚（NE555_RESET）来控制方波信号是否产生。如图3所示 图 3超声波发射电路 3.1.2超声波检测接收电路超声波传感器接收部分电路采用集成电路CX2010

6、6A。这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz 与测距超声波频率40kHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C1 的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1 和C1 控制CX20106A内部的放大增益，R2 控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 ，C1=1F。当超声波接收头收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断INT0 上。当超声波接收头接收到40kHz方波信号时，将会将此信号通过CX20106A 驱动放大送入单片机的外部中断0 口。单片机在得到外

7、部中断0 的中断请求后，会转入外部中断0 的中断服务程序进行处理，在移动机器人的避障工作中，可以在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离，比如0.5m。对于距离大于0.5 m 的障碍物，可以不做处理直接跳出中断服务程序； CX20106A 的第5脚的电阻决定接收的中心频率，200k的电阻决定了接收的中心频率为40KHz。当 CX20106A 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。CX20106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。其中的电平自动控制电路ABLC可以保证在输入弱信号时前置放

8、大器有较高增益，在输入强信号时前置放大器不会过载，可以保证在一定遥控距离（约10m）内工作可靠。其内部设置的滤波器中心频率f0由其5脚外接电阻调节，范围可从30KHz60KHz。CX20106的工作过程大致如下：其中的前置放大器将外接红外光敏二极管或三极管产生的脉冲电压进行放大，电压增益约7779dB。然后将信号送限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经整形后，由7脚输出指令信号。实际上，CX20106的功能用一句话概括，就是当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的红外光信号时，其输出端7脚就输出低电平。CX20106的主要参数

9、如下：电源电压典型值为5V，最大17V。电源电流1.1-2.5mA(典型值为1.8mA)。输出低电平0.2V。电压增益7779dB。输入阻抗27。滤波器中心频率30z60z。允许功耗0.8W。1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 2脚：该脚与地之间连接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R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1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R1=4.7，C1=1F。 3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵

10、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，易造成误动作，推荐参数为3.3f。 4脚：接地端。 5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。 6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，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，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。 8脚：电源正极，4.55V。 3.1.3

11、主控制电路核心控制元件采用单一的AT89C51单片机来完成，显示采用SMC1602A液晶模块，温度补偿传感器采用DS18B20.3.1.4电源电路9V直流电压经过滤波，再经三极管7805稳压到5V直流电压。 3.2、软件设计软件部分的设计根据手持测距仪的具体功能实现可以分为四个步骤，分别是超声波信号发送、超声波信号接收、距离数据处理、液晶距离显示。（1） 超声波信号发送：通过定时器每隔20ms发送一次40KHz的超声波信号，每次发送4个周期（100us）；由于系统通过555定时器来产生超声波启动信号，所以在程序中需要完成的工作为每隔20ms给555定时器一个启动信号，启动时间100us。同时，

12、由于超声波信号接收通过外部中断模式通知单片机，所以在该定时器中还需要启动外部中断及开始计时。（2） 超声波信号接收：超声波信号的接收通过外部中断模式通知单片机，当进入相应中断后，在程序中首先需要停止计时，将计时数据送入距离数据处理模块进行处理；同时为避免不同距离障碍物反射回来的超声波信号的干扰，在中断程序中还需要关闭该外部中断，以最近障碍物距离为准。声波在空气中传输速度约为340m/s，在20ms时间内可以传输6.8m，因此该超声波测距可以最远到3.4m，一般手持测距最远为1.5m，满足系统要求。此外，为避免多次发射信号的干扰，超声波发送信号的能量最好调节到最远衰减在5m以内。（3） 距离数据

13、处理：在距离数据处理模块中，对共计10次单片机计时数据剔除最大值与最小值后进行数据平均值法处理。2、 软件流程图根据手持测距仪具体功能的实现步骤及其他辅助功能，在程序设计中采用模块化处理，将总体功能分解一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能。本设计按任务模块划分的程序 主要有主程序、读温子程序、显示子程序、定时器中断子程序、外部中断子程序等。3、主程序设计单片机系统上电后，进入初始化程序，完成单片机内各模块的设置和液晶实现初始化，然后进入主程序循环。在主程序循环中，先根据按键情况对温度情况进行处理，然后判断是否有回波，若完毕则进行外部中断子程序

14、。主程序的流程图如图3.11所示。其运行编写的程序附后。定时器中断子程序：在定时器中断子程序中，需要完成2个定时器初值，开启超声波信号发送一段时间并关闭，打开外部中断等。外部中断子程序：在外部中断子程序中，需要完成关闭外部中断子程序，判断是否读取数据及是否清数组地址等。4、调试和测试在手持测距仪的PCB布局中要注意以下几点：1、超声波发射传感器与接收传感器安装位置要位于PCB边沿同一水平面上；2、超声波接收模拟电路相关器件尽量靠近，减少连线长度；3、整流、稳压电路相关器件尽量靠近，形成局部小模块。电路制作好后，手持测距仪主要需要调试超声波发射接收波形，用示波器查看超声波接收信号与发送信号间时间

15、差是否随障碍物的距离变化而变化，并且具有一定的线性关系。首先查看超声波发射电路的555芯片的4脚有没有产生40KHz的方波信号，然后检查超声波接收电路的CX20106的7脚波形是否正确，然后再看超声波头的接收和发送的波形是否正确。实际距离（cm）矫正后实测显示距离（cm）误差（cm）相对误差（%）2022210.00%3034413.33%4044410.00%5055510.00%606558.33%707668.57%808667.50%909666.66%10017077.00%11011776.36%误差分析：由于环境的影响，还有电路本身的干扰，以及人眼测量的不准确，传感器和其他元器件

16、本身以及程序的不同得到的实际值不是理想线性。由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。电路硬件和软件本身存在一定的缺陷，因此会造成测量误差。超声波波速入射角影响：超声波波束入射角也会对测量数据产生影响，由于系统是用来测量点和面的距离，则被测物表面，超声波发射探头和接收探头三者之间存在一个几何角度，即发射波入射到接收探头的角度，如果这个角度不是0度，系统测量到的距离是被测物与接收探头之间的距离而不是和测量参考面之间的距离，这就会造成测量误差。5、总结通过这一次的实训，让我受益匪浅。我的电路

17、板由于一开始时转印腐蚀时没有及时把一些断掉的连接线用油性笔补好就匆匆腐蚀导致在之后的焊接出现了大面积的断路，让我在检查电路板是否连接完好时花费了很多时间。由于我的焊接技术不是很熟练，以至于在检查电路时补焊也花了不少时间，电路板的先天不足让我在接下来的调试和测试困难重重，这也算是一次心急的教训了。其次，本次的电路设计让我对PCB电路的设计有了深度的了解。不仅元器件的标号要按照特定的规则放好位置，显得整齐明显，而且元器件的摆放不再是随心所欲，要根据实际的电路功能，最好是根据超声波发射电路、超声波检测接收电路、主控制电路，电源电路的分类一部分一部分的摆放，以及实际的电路测量中能起到方便调试和测试为目地来摆放的。出现的飞线也有了一些规定：不能过长，考虑到焊接的方便最好是一条短直线，还有不能出现致命的问题，比如我一开始由于标号不是很清晰明了，导致我腐蚀好的一块新电路板出了一个致命的问题，两个超声波头没有放在同一个方向，把一个蜂鸣器当成超声波头来用了。结果可想而知，我只好重新布线、转印、腐蚀，其实只要再细心一些就不用花费那么多的时间了，我想这次惨痛的失败教训会让我在我今后的电路设计中更加细心，我想这也是一种好处吧，从失败中吸取教训，然后才能在接