基于單片機(jī)的數(shù)字式超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)..

1、河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)題目:基于單片機(jī)的數(shù)字式超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)系部名稱(chēng)：自動(dòng)控制系專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣自動(dòng)化技術(shù)姓 名:學(xué) 號(hào):2014年12月24日目錄第一章 系統(tǒng)分析 11.1 功能簡(jiǎn)介 11.2 方案選擇 11.2.1 超聲波發(fā)射電路 11.2.2 超聲波接收電路 3第二章 硬件電路設(shè)計(jì) 62.1 系統(tǒng)總體框圖 62.2 各部分電路圖 62.2.1 單片機(jī)電路 62.2.2 超聲波發(fā)射電路 72.2.3 超聲波接收電路 72.2.4 LCD 液晶顯示電路 8第三章 軟件設(shè)計(jì) 93.1 主程序流程圖 93.2 各主要功能子程序流程圖 9第四章 總結(jié) 114.1

2、設(shè)計(jì)中的優(yōu)缺點(diǎn) 114.1.1優(yōu)點(diǎn) 114.1.2缺點(diǎn) 114.2 系統(tǒng)性能分析 11參考文獻(xiàn) 12計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)第一章系統(tǒng)分析1.1功能簡(jiǎn)介超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器 T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這 個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)， 就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì) 算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：d=s/2=(c x t)/2 其中，d為被測(cè)物與測(cè) 距儀的距離，s為聲波的來(lái)回的路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器TO,利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)

3、射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出 端產(chǎn)生一個(gè)跳變信號(hào)，在INTO或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外 部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。1.2方案選擇1.2.1超聲波發(fā)射電路(1)分立兀件構(gòu)成的發(fā)射電路VCCVCC圖1-2-1分立元件構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖1-2-1是由兩只普通低頻小功率三極管 C9013構(gòu)成的振蕩、驅(qū)動(dòng)電路，三 極管T1、T2構(gòu)成兩級(jí)放大器，但是由于超聲波發(fā)射頭的正反饋?zhàn)饔茫@個(gè)原本 是放大器的電路變成了振蕩器。超聲波發(fā)射器的壓電晶片可等效于一個(gè)串聯(lián)LC諧振電路，具有選頻作用，因此該振蕩器只能振蕩在超聲波發(fā)射頭

4、的固有諧振頻 率Of。第二個(gè)圖中用電感L替代3R這樣可以增大激勵(lì)電壓，使其具有較大的功 率輸出。（2）由集成電路構(gòu)成的發(fā)射電路*iav17圖1-2-2 555構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖1-2-2為由555集成芯片構(gòu)成的振蕩、調(diào)制、激勵(lì)電路。該電路應(yīng)使用雙 極型555 （內(nèi)部電路由普通三極管構(gòu)成），不宜使用單極型 7555 （內(nèi)部電路由 CMO電路構(gòu)成，外部引腳與555相同），其原因是7555帶負(fù)載能力小。圖1-2-3由非門(mén)構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖1-2-3是由非門(mén)構(gòu)成的一個(gè)振蕩器發(fā)送電路，用非門(mén)構(gòu)成的電路簡(jiǎn)單，調(diào) 試容易。很容易通過(guò)軟件控制。圖中把兩個(gè)非門(mén)的輸出接到一起的目的是為了提 高其吸入電流，

5、電路驅(qū)動(dòng)能力提高。1.2.2超聲波接收電路(1)由分立元件構(gòu)成的接收電路圖1-2-4分立元件構(gòu)成的超聲波接收電路圖1-2-4為由三極管T1,T2和若干電阻電容組成的兩級(jí)阻容耦合交流放大電 路。第一級(jí)中3R為集電極負(fù)載電阻；2R為偏流電阻，同時(shí)引入了交直流并聯(lián)電 壓負(fù)反饋，可以較有效的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，改善非線(xiàn)性失真以及增益的穩(wěn)定性； 4R是發(fā)射極負(fù)反饋電阻，引入直、交流串聯(lián)電流負(fù)反饋，具有穩(wěn)定工作點(diǎn)、增 益、改善失真、提高輸入阻抗等作用。(2)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的接收電路圖1-2-5運(yùn)放構(gòu)成的超聲波接收電路圖1-2-5是由運(yùn)放構(gòu)成的超聲波放大電路，該電路的形式在其他應(yīng)用中經(jīng)常遇到，特點(diǎn)如下：1）一

6、般式用運(yùn)放組成的放大電路都要求對(duì)稱(chēng)的正負(fù)電源供電，這里以單電源供電，輸出端的靜態(tài)電位必須設(shè)置在1/2的電源電壓，這由同相輸入端的點(diǎn)位 來(lái)確定，1R和2R分壓取得1/2的電源電壓加到運(yùn)放的同相輸入端，使其電位1/2 電源電壓。2）采用同相端輸入方式其輸入阻抗高，超聲波接收傳感器的輸出信號(hào)接到 放大器的同相端，有利于超聲波傳感器充分發(fā)揮接收靈敏度和自生的選頻作用。3） 反相端對(duì)地不提供直流通路，因此通過(guò)隔直電容2C提供直流通（3）LM1812收發(fā)集成電路構(gòu)成LM1812是一種專(zhuān)用于超聲波接收和發(fā)送的集成電路，它即可做發(fā)送電路， 又可以做接收電路使用。如下圖所示：圖1-2-6由LM1812構(gòu)成的接收

7、電路(4)CX20106勾成的接收電路JlCjJQinccm 寸 s 9 z gCSB40RR4寸吐 比orVCCLL2rIGND圖1-2-7 CX20106構(gòu)成的接收電路以上為常用的發(fā)射和接收電路，分立元件構(gòu)成的收發(fā)電路容易受到外界的干 擾，體積、功耗也比較大。而集成電路構(gòu)成的發(fā)射和接收電路具有調(diào)試簡(jiǎn)單，可 靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，所以首先考慮采用集成電路來(lái) 組成收發(fā)電路。在由集成電路構(gòu)成的收發(fā)電路中，發(fā)射電路我們選用由非門(mén)構(gòu)成，接收電路 采用由紅外接收檢波芯片 CX20106構(gòu)成，主要是考慮到系統(tǒng)的調(diào)試簡(jiǎn)單、成本低、 可靠性好。第二章硬件電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體框圖圖2-

8、1系統(tǒng)總體框2.2各部分電路圖2.2.1單片機(jī)電路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圖2-2-1最小系統(tǒng)222超聲波發(fā)射電路圖2-

9、2-2超聲波發(fā)射電路2.2.3超聲波接收電路圖2-2-3超聲波接收電路224 LCD液晶顯示電路1602 J7-112345678910111213141516KRS,11* 11LCD EMDODID2D3D4D5D61TD71in1 V圖2-2-4 1602 液晶顯示模塊第三章軟件設(shè)計(jì)3.1主程序流程圖i,開(kāi)系統(tǒng)初始化數(shù)據(jù)處理執(zhí)行報(bào)警發(fā)射方波脈神LCD顯喬 骨計(jì)時(shí)返回結(jié)束圖3-1-1系統(tǒng)流程圖3.2各主要功能子程序流程圖圖3-2-1定時(shí)中斷服務(wù)子程序圖3-2-2外部中斷服務(wù)子程序第四章 總結(jié)4.1 設(shè)計(jì)中的優(yōu)缺點(diǎn)4.1.1優(yōu)點(diǎn)超聲波測(cè)距儀在使用過(guò)程中不受光照度， 電磁場(chǎng)， 色彩等因素影響。

10、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，成本低。在機(jī)器人避位和定位，汽車(chē)倒車(chē)，水庫(kù)液位測(cè)量等很多方面都有廣 泛的實(shí)際應(yīng)用。4.1.2缺點(diǎn)由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度， 超聲波回波很難精確捕捉到， 至 使超聲波在空中的傳播時(shí)間很難精確測(cè)量到。 這些因素使得超聲波測(cè)距地精度和 范圍受到影響。4.2 系統(tǒng)性能分析測(cè)距儀在進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)距時(shí)精度會(huì)降低， 發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適， 脈沖個(gè) 數(shù)多時(shí)，發(fā)射換能器可以克服其震動(dòng)慣量而獲得充分的振動(dòng)， 其它聲波模式影響 較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大； 但此時(shí)測(cè)距的盲區(qū)也大 （是指可以測(cè)量的最小距 離），一般選擇有 8 個(gè)脈沖組成，電路在六米的測(cè)量結(jié)果，幅值較小，功率管發(fā) 熱發(fā)熱嚴(yán)重， 這說(shuō)明功率消耗過(guò)大。 改善了換能器與功放間的阻抗匹配轉(zhuǎn)換效率 明顯提高。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的調(diào)試，是個(gè)參數(shù)都得到優(yōu)化，電路控制方便，性能表現(xiàn)良 好，實(shí)現(xiàn)了大范圍的超聲測(cè)距， 使用脈沖回波測(cè)量距離， 考慮溫度對(duì)回波速度的