超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄1.2 課題設(shè)計(jì)目的及意義日常生活應(yīng)用發(fā)面：人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市車輛逐漸增多，因?yàn)橥＼嚥划?dāng)而造成的交通事故也越來越多。為了避免此類事故的發(fā)生，一個(gè)能夠直觀地測(cè)出汽車與障礙物之間的距離的裝置就變得十分必要。它可以及時(shí)將車輛與障礙物之間的距離反映出來，給司機(jī)以更準(zhǔn)確的信息和更多的反應(yīng)時(shí)間，減少事故的發(fā)生；軍事應(yīng)用方面：超聲波聲納已廣泛應(yīng)用于偵查探測(cè)等方面，如何提高其測(cè)量精度已是正在著重研究的課題之一，相信在不久的將來，超聲波測(cè)距一定會(huì)在偵查反偵察方面起到更大的作用；工業(yè)應(yīng)用方面：超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)方便了管道的距離探測(cè)，消除了一些空間方面的限制，在其測(cè)量精度得到提升后，對(duì)

2、一些精密設(shè)備的測(cè)量也將起到良好的效果。1.3 課題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，任務(wù)：1）了解超聲波測(cè)距原理。2）根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，要求：1）設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。2）對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。3)對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。4)以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。2 方案選擇的論證和選擇2.1 設(shè)計(jì)方案一采用單片機(jī)來控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同

3、時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：2.1圖2-1 采用單片機(jī)來控制的超聲波測(cè)距儀3 設(shè)計(jì)原理我們做的是基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀。用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射、接受電路以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再用液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。因?yàn)槁曇舻乃俣葧?huì)隨著溫度的變化而改變，所以，我們?cè)黾恿藴乜匮b置，即通過溫度傳感器（18B20），把當(dāng)前的溫度信息傳給單片機(jī)，再通過一定的算法，得到當(dāng)前的聲音速度。操作者可以通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵完成測(cè)量方式的選擇（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

4、、手動(dòng)測(cè)量）。由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，在由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：其中，D為換能器與障礙物之間的距離，C為波聲傳播速度，T為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間間距。本次設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，采用AT89C52單片機(jī)，配置時(shí)鐘電路，復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成超聲波發(fā)射、接收

5、模塊。由鍵盤，LED顯示構(gòu)成人機(jī)對(duì)話通道，以及溫度傳感器來構(gòu)成由單片機(jī)最小系統(tǒng)來控制的超聲波測(cè)距儀，其結(jié)構(gòu)框圖如3-1：圖3-1 總結(jié)構(gòu)框圖4 硬件設(shè)計(jì)介紹了本設(shè)計(jì)方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設(shè)計(jì)方案來完成具體的電路設(shè)計(jì)。4.1 整體電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形及放大，以保證測(cè)量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電

6、路,顯示電路與溫度測(cè)量電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號(hào)放大，接收前也要把還再次放大。整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。圖4-1超聲波測(cè)距原理圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。圖4-2 超聲波發(fā)送原理圖4.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng) 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波

7、接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測(cè)距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：（1）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。

8、傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： （4-1）實(shí)際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測(cè)量夾角為45。接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法

9、。4.3 顯示電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的IO接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí),再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡(jiǎn)單與便利?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的IO接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的IO口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機(jī)通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。在

10、顯示電路的設(shè)計(jì)上，利用單片機(jī)的P0P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費(fèi)管腳資源，但是對(duì)單片機(jī)的理論知識(shí)要求相對(duì)比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陽極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到低電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動(dòng)電路的原理圖見圖4-5。圖4-5 數(shù)碼管顯示電路4.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來驅(qū)動(dòng)，所以我制作了一個(gè)穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來設(shè)計(jì)。通過變壓器的直流電通過由二極管組成的橋式整流電路進(jìn)入三端穩(wěn)壓元件，CW7812和CW7805分

11、別為電路提供穩(wěn)定的12V和5V直流電源。極性電容起濾波電容的作用，非極性電容則可以改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。如圖4-6所示：圖4-6穩(wěn)壓電源4.5.2 發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到虛假反射波結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區(qū)”。 4.5.3 超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能

12、量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： （1）擴(kuò)散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （2）散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋?（3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收

13、現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對(duì)同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來表示聲波的衰減。4.5.4 系統(tǒng)干擾因素測(cè)量裝置的干擾來自多方面。機(jī)械振動(dòng)或沖擊會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾;光線對(duì)測(cè)量裝置中的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生干擾;溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)的變動(dòng)，產(chǎn)生干擾:以及電磁干擾等等。干擾竄入測(cè)量裝置有三條主要途徑，如圖4-8：圖4-8 產(chǎn)生誤差的途徑（1）電

14、磁干擾干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄入測(cè)量裝置。信道干擾。信號(hào)在傳播過程中，通道中各元器件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。（2）電源干擾這是由于電源波動(dòng)、市電電網(wǎng)干擾信號(hào)的竄入以及裝置供電電源電內(nèi)阻引起各單元電路相互禍合造成的干擾。一般情況下，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)干擾主要由發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、大功率繼電器、電臺(tái)等的感應(yīng)引起，其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電源接地系統(tǒng)和U0系統(tǒng)的干擾，這種干擾可采用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以抑制。因此，在微機(jī)系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)與v0通道的干擾是問題的主要方面。（3）供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾由于供電電網(wǎng)面對(duì)各種用戶，電網(wǎng)上并聯(lián)著各種各樣的用電器。用電器在開關(guān)機(jī)時(shí)都會(huì)給電網(wǎng)帶來強(qiáng)

15、度不一的電壓跳變。這種跳變的持續(xù)時(shí)間很短，人們稱之為尖峰電壓。它會(huì)影響測(cè)量裝置的正常工作。（4）電網(wǎng)電源噪聲把供電電壓跳變的持續(xù)時(shí)間At ls者稱為過壓和欠壓噪聲。供電電網(wǎng)內(nèi)阻過大或網(wǎng)內(nèi)用電器過多會(huì)造欠壓器聲。供電電壓跳變的持續(xù)時(shí)間lmsAtls ，稱為浪涌和下陷噪聲。它主要產(chǎn)生于感性用電器(如電機(jī))在開關(guān)機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。供電電壓跳變時(shí)間的持續(xù)時(shí)間At lm s的被稱為尖峰噪聲。（5）供電系統(tǒng)的抗干擾供電系統(tǒng)常采用下列幾種抗干擾措施: 交流穩(wěn)壓器。它可消除過壓、欠壓所造的影響，保證供電的穩(wěn)定。 隔離穩(wěn)壓器。由于浪涌和尖峰噪聲主要成份是高頻分量，它們不通過變壓器級(jí)線圈之間的互感禍合，而是通過線圈寄生電容禍合。隔離穩(wěn)壓器初次級(jí)間用屏蔽層隔離，減少級(jí)間禍合電容，從而減少高頻噪聲的竄入。 低通濾波器。它可濾去大于50Hz市電基波的高頻干擾。對(duì)于50HZ市電基波 ， 則通過整流濾波后也能夠完全濾除。 獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，有意識(shí)地把各種不同功能塊的電路單獨(dú)設(shè)置供電系統(tǒng)電源。這樣做基本可消除各單元電路因共用電源而引起相互耦合所造成的干擾.在本系統(tǒng)中就采用了這種電源的配置。接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)測(cè)量裝置中的地線是所有電路公共的零電平參考點(diǎn)。理論上，地線上所有的位置的電平應(yīng)該相同。然而，由于各個(gè)地點(diǎn)之間必須用具有一定電阻的導(dǎo)線