超声波测距仪电路的设计毕业设计论文

目录111.3调研目的和总结2171、毕业设计的主要任务要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计V反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时t间，就可以计算出发射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，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。2、超声波测距的原理单片机发出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t回波,从而测出发射和接收回波的时间差，然后求出距离ctS(1-1)2c式(1-1)中的为超声波在空气中传播的速度。限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声c波发球声波范围，其波速与温度有关，表1-1列出了几种不同温度下的波速。表1-1声速与温度的关系温度－－－0123100000声速33333333(m/s)1319252338444986波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。其系统原理框图如图1-1所示。图1-1超声波测距系统框图单片机AT89C51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；t相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。3、调研目的和总结朝着更高定位更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距仪低，省力、操作方便。超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身好，强度易于控制，它的应用价值己被普遍重视。1、理论分析1.1原理如图2-1所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。图2-1压电逆效应超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。1.2特性现以MA40S2R接收器和MA40S2S发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表2-2示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。表2-2超声波传感器MA40S2R/S的特性MA40S2R接收40kHz绝缘电阻温度特性－20~+60℃范围内灵敏度变化在10dB以内施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化率调整和阻抗匹配。MA40S2R/S传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。图2-3灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范偿。图2-3传感器的方向性2、总体设计方案由单片机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，计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。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2-4所示。图2-4时序图单片机在T时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产0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。3、超声波传感器的检测方式（1）穿透式超声波传感器的检测方式100mm×100mm的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。（2）限定距离式超声波传感器的检测方式方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，是否能检测到被测物体。（3）限定范围式超声波传感器的检测方式物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。（4）回归反射式超声波传感器的检测方式超声波传感器。物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图2-5所示。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。图2-5超声波传感器系统的构成物体的范围。超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为12~24V±10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路。[3]1、超声波测距系统电路的设计1.1发射电路的设计由单片机产生的40kHz声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，图3-1为发射电路图。图3-1发射电路74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。74HC04的管脚如图3-2所示。图3-274HC04管脚图1.2接收电路的设计LM7413-3所示。图3-3接收电路感器的中心频率，即40kHz。该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经3-4为LM741管脚图。图3-4LM741管脚图1.3显示模块的设计LED(Light-EmittingDiode，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3-5示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。图3-5(a)为八段共阴数码显示管结构图，图3-5(b)是它的原理图，图3-5(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3-5八段LED数码显示管原理和结构单片机对LEDLEDLED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单片机引脚输出可直接接到LED显示管上。这样省去了外部复杂的译码电路。1.4超声波测距系统的软件设计止计时，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。程序流程图如图3-6，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。(a)(b)(c)图3-6程序流程图用单片机编程产生40kHz延时函数delays()，然后可用for语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下：voiddelays(){}//延时函数voidmain(){for(a=0;a<200;a++)//产生100个40KHz的方波//每循环一次，输出引脚取反{P36=!P36;delays();}}单片机每隔一段时间产生一串40kHz波，产生中断信号后，单片机执行中断程序。在中断程序中，先让定时器停止计数，然后读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。中断程序如下：voidintersvro(void)interrupt0using1//INTO中断服务程序{uintbwei,shwei,gwei;ucharDH,DL;ulongCOUNT;ulongnum;TR0=0;//停止计数DH=TH0;DL=TL0;COUNT=TH0*256+TL0;num=(344*COUNT)/20000;bwei=num/100;gwei=(num-bwei*100)/10;shwei=num%10;P1=tab[bwei];P0=tab[shwei];P2=tab[gwei];TH0=0;//计算距离//取百位//取十位//取个位//输出百位//输出十位//输出个位TL0=0;}本系统的LED单方便，省去了复杂的外部译码电路。软件译码只需要定义一个数组便可，程序语句如下：uchardatatab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};这是共阳LED显示从0到9的字形码。2、基于单片机的超声波测距系统基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图3-7所示。图3-7基于单片机的超声波测距系统框图这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间显示[1]。3、系统的误差分析3.1声速引起的误差声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于20kHz为压缩波或压强波，对一般流体媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为2Ec(5-1)Eρ式(5-1)中kg/mm；kg/mm；23cE为复数，其虚数部分代表损耗;也是复数，其实数部分代表传播速度，虚数的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。从式(5-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等响最大。声速受温度的影响为2cc1(5-2)2730图3-8根据上式测量的温度-声速图。图3-8空气中温度-声速图由式(5-2)和图5-1从7%的声速θ变化，因此，为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。工业测量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即c331(5-3)3.2单片机时间分辨率的影响不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。12MHz分辨率为1µs。随机误差由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可在同一位置处多次重复测量x，然后取平均值x作为测量的真值。提高测距[10]i精度的方法测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下：（1）合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。40kHz充波周期的10倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快，脉冲发射周期可选短些。（2）在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节。AGC电路测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。（3）提高计时精度，减少时间量化误差。晶振频率6MHz时，计数频率为0.5MHz，此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小。[11]（4）补偿温度对传播声速的影响。因此需要对其进行补偿。温度传感器LM92的温度测试分辨率为0.0625℃，－10℃至+85℃准确度为C总线接口。用AT89C51的通用I/O端口能很容易的模拟IC总线的22读写时序，LM92高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。由LM92温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距已应用在各种高精度应用前景广阔。[12]到题目时感到无从下手，并且遇到了不少麻烦。在网络上查询，询问同学，询问老师，查询书籍，基本上能用的方法都用之后，我才正式开始做起毕业设计来。做毕业设计，脑子里全是程序，心血真的付出了很多，但我并没有感觉