傳感器課程設(shè)計(jì)超聲波傳感器

1、 題 目 超聲波傳感器 摘要 超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因而，在利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是應(yīng)用最普遍的一種，并且在測量精度方面也能達(dá)到自動(dòng)化的使用要求，它廣泛應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超

2、聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用at89c51或其兼容系列。采用12m高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用p1.0端口輸出超聲波換能器所需的40khz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽led數(shù)碼管，段碼用74ls244驅(qū)動(dòng)，位碼用pnp三極管8550驅(qū)動(dòng)。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及atmel公司的at89s51單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以at89s51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測

3、距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求關(guān)鍵詞 超聲波 ultrasonic 單片機(jī)at89s51 mcu at89s51 測距ranging 目 錄一 、設(shè)計(jì)目的5二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求52.1設(shè)計(jì)任務(wù)52.2設(shè)計(jì)要求5三、設(shè)計(jì)步驟及原理分析53.1設(shè)計(jì)方法53.2設(shè)計(jì)步驟63.3設(shè)計(jì)原理分析13四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會14五、參考文獻(xiàn)15一、 設(shè)計(jì)目的學(xué)習(xí)超聲波傳感器的知識，以及超聲波傳感器的原理，學(xué)會設(shè)計(jì)傳感器。二、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)1.設(shè)計(jì)硬件2.設(shè)計(jì)軟件2.2設(shè)計(jì)要求超聲波

4、傳感器能正常運(yùn)行二、 設(shè)計(jì)步驟及原理分析 3.1 設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì)方案按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用51系列at89s51單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定；發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送；接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調(diào)試工作小較小。超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機(jī)控制系統(tǒng)（at89s51）顯示模塊鍵盤模塊供電單元圖3-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路、報(bào)警輸出電路、供電電路等幾部分。采用at89s51單片機(jī)系統(tǒng)晶振采

5、用12m高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差,單片機(jī)用p2.7口輸出超聲波換能器所需的40k方波信號,p3.5口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號,顯示電路采用簡單的3位共陽led數(shù)碼管, ,段碼輸出端口為單片機(jī)的p2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的p3.4、p3.2、p3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用pnp三極管s9012三極管驅(qū)動(dòng)。3.2設(shè)計(jì)步驟3.2.1 關(guān)于at89s51單片機(jī)at89s51是美國atmel公司生產(chǎn)的低功耗，高性能cmos8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kbytes的可系統(tǒng)編程的flash只讀程序存儲器,器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)

6、及引腳。它集flash程序存儲器既可在線編程（isp）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，atmel公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位at89s51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。5l系列單片機(jī)中典型芯片采用40引腳雙列直插封裝(dip)形式，內(nèi)部由cpu，4kb的rom，256 b的ram，2個(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器to和t1，4個(gè)8 b的工o端i：ip0，p1，p2，p3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的flash可編程、可擦除只讀存儲器(eprom)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用

7、。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖3-2所示。圖3-2 51系列單片機(jī)封裝圖5l系列單片機(jī)提供以下功能：4kb存儲器；256bram；32條工o線；2個(gè)16b定時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。空閑方式：cpu停止工作，而讓ram、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存ram的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。3.2 .2超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng)超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng)主要由：at89s51單片機(jī)、晶振、復(fù)位電

8、路、電源濾波部份構(gòu)成。由k1，k2組成測距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設(shè)定超聲波測距報(bào)警值。如圖3-3。圖3-3 超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng)3.2.3 超聲波發(fā)射和接收電路超聲波發(fā)射如圖3-4，接收電路如圖3-5。超聲波發(fā)射電路由電阻r1、三極管bg1、超聲波脈沖變壓器b及超聲波發(fā)送頭t40構(gòu)成，超聲波脈沖變壓器，在這里的作用是提高加載到超聲波發(fā)送頭兩產(chǎn)端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測量距離。接收電路由bg1、bg2組成的兩組三級管放大電路構(gòu)成；超聲波的檢波電路、比較整形電路由c7、d1、d2及bg3組成。40khz的方波由at89s51單片機(jī)的p2.7輸出，經(jīng)bg1推動(dòng)超聲波脈沖變壓器，在脈沖

9、變壓器次級形成60vpp的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。發(fā)送出的超聲波，遇到障礙物后，產(chǎn)生回波，反射回來的回波由超聲波接收頭接收到。由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，輸入單片機(jī)的p3腳。圖3-4 超聲波測距發(fā)送單元該測距電路的40khz方波信號由單片機(jī)at89s51的p2.7發(fā)出。方波的周期為1/40ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40khz方波。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12m晶振，因而單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1s，所以只能產(chǎn)生半周期為12s或13s的方波信號，頻

10、率分別為41.67khz和38.46khz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約38.46khz的方波。圖3-5 超聲波測距接收單元由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要將其進(jìn)行放大。接收電路如圖3-5所示。接收到的信號加到bg1、bg2組成的兩級放大器上進(jìn)行放大。每級放大器的放大倍數(shù)為70倍。放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，即把多個(gè)脈沖波解調(diào)成多個(gè)大脈沖波。這里使用的是i n 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結(jié)構(gòu)簡單，性能較好，制作難度小。3.2.4 顯示電路本系統(tǒng)采用三位一體l e d 數(shù)碼管顯示所測距離值，如圖3-6。數(shù)碼管采用

11、動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的p2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的p3.4、p3.2、p3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用pnp三極管s9012三極管驅(qū)動(dòng)。圖3-6 顯示單元圖3.2.5 供電電路本測距系統(tǒng)由于采用的是led數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時(shí)，系統(tǒng)工作電流約為30-45ma，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的可靠正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流ac6-9伏，同時(shí)為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮了第二種方式，即由usb口供電，調(diào)試時(shí)直接由電腦usb口供電。6伏交流是經(jīng)過整流二極管d1-d4整流成脈動(dòng)直流后，經(jīng)慮波電容c1慮波后形成直流電，為保證單片機(jī)系統(tǒng)的可電，供電路中由5伏的三端稱壓集成電路進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出5伏

12、的真流電供整個(gè)系統(tǒng)用電，為進(jìn)一步提高電源質(zhì)量，5伏的直流電再次經(jīng)過c3、c4濾波。圖3-7 供電單元電路圖3.2.6 報(bào)警輸出電路為提高測測距系統(tǒng)的實(shí)用性，本測距系統(tǒng)的報(bào)警輸出提供開關(guān)量信號及聲響信號兩種方式。方式一：報(bào)警信號由單片機(jī)p3.1端口輸出，繼電器輸出，可驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，電路由電阻r6、三極管bg9、繼電器jdq組成，當(dāng)測量值低于事先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，繼電器吸合，測量值高于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，繼電器斷開。方式二：報(bào)警信號由單片機(jī)p0.2口輸出，提供聲響報(bào)警信號，電路由電阻r7、三極管bg8、蜂鳴器by組成，當(dāng)測量值低于事先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴.”報(bào)警聲響信號，測量值高于設(shè)

13、定的報(bào)警值時(shí)，停止發(fā)出報(bào)警聲響。報(bào)警輸出電路如圖3-8。圖3-8 報(bào)警輸出電路 3.2.1 軟件設(shè)計(jì)方法超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道c語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)），所以控制程序可采用c語言和匯編語言混合編程。3.2.2主程序設(shè)計(jì)主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器1定時(shí)。置位總中斷允許位ea。進(jìn)行程序主程序后，進(jìn)行定時(shí)測距判斷，當(dāng)測距標(biāo)志位ec=1時(shí)，

14、測量一次，程序設(shè)計(jì)中，超聲波測距頻度是4-5次/秒。測距間隔中，整個(gè)程序主要進(jìn)行循環(huán)顯示測量結(jié)果。當(dāng)調(diào)用超聲波測距子程序后，首先由單片機(jī)產(chǎn)生4個(gè)頻率為38.46khz超聲波脈沖，加載的超聲波發(fā)送頭上。超聲波頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器t0進(jìn)行計(jì)時(shí)，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時(shí)，單片機(jī)需要延時(shí)約1.5 -2ms時(shí)間（這也就是超聲波測距儀會有一個(gè)最小可測距離的原因，稱之為盲區(qū)值）后，才啟動(dòng)對單片機(jī)p3.5腳的電平判斷程序。當(dāng)檢測到p3.5腳的電平由高轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，立即停止t0計(jì)時(shí)。由于采用單片機(jī)采用的是12m的晶振，計(jì)時(shí)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1s，當(dāng)超聲波測距子

15、程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器t0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（2）計(jì)算，即可得被測物體與測距儀之間的距離。設(shè)計(jì)時(shí)取15時(shí)的聲速為340 m/s則有：d=(ct)/2=172t0/10000cm其中，t0為計(jì)數(shù)器t0的計(jì)算值。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制bcd碼方式送往led顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。3.2.3超聲波測距程序流程圖 yyn=n0=0=1開始初始化測量標(biāo)志啟動(dòng)定時(shí)器超聲波測距距離上限值距離盲區(qū)值=顯示值= c c c顯示值= - - -測量段碼轉(zhuǎn)換顯示設(shè)定段碼轉(zhuǎn)換距離報(bào)警值=報(bào)警輸出=n3.2.4 超聲波測距程子序流程圖y標(biāo)志=1?發(fā)送超聲波延時(shí)

16、避開盲區(qū)收到回波否？預(yù)設(shè)時(shí)間？啟動(dòng)計(jì)時(shí)器t0停止計(jì)時(shí)計(jì)算測量值超聲波測距結(jié)束nnyyn 調(diào)試與性能分析3.3設(shè)計(jì)原理分析3.3.1超聲波傳感器1超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器可以分為兩大類: 一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等; 機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，這里我們也是選擇的壓電式。2壓電式超聲波發(fā)生器原理超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時(shí)，壓電晶片將會發(fā)

17、生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波本時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。3單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成單片機(jī)at89s51發(fā)出短暫的40khz信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至led數(shù)碼管進(jìn)行顯示。限制超聲波系統(tǒng)的最大可測距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將

18、決定最小可測距離。開始測量超聲波信號開定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測電聲換能器電聲換能器驅(qū)動(dòng)電路圖2-1 超聲波測距過程框圖四、課程設(shè)計(jì)小結(jié)與體會短短的一周的設(shè)計(jì)就這樣結(jié)束了，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，經(jīng)歷了挫折和失敗，但最終獲得成功。一直在不懈的努力，到最后收獲真的很大，在深刻地認(rèn)識到自己在學(xué)習(xí)上的薄弱環(huán)節(jié)的同時(shí)，通過查閱資料和在老師的幫助下以及理論分析與實(shí)踐的反復(fù)進(jìn)行和論證后許多問題都基本能迎刃而解，最終基本達(dá)到設(shè)計(jì)目的。通過這次的課程設(shè)計(jì)解決了如何進(jìn)行超聲波測量距離，以及如何進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中鞏固和加深在傳感器技術(shù)課程中所學(xué)的理論知識和實(shí)驗(yàn)技能。初步了解了虛擬儀器的基本原理以及使用方法，對它的認(rèn)識有了