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 1 1.2.2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

2、.1 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×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T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射

3、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INT0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）分立元件構(gòu)成的發(fā)射電路圖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?，這個(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)射頭的固有諧振

4、頻率0f。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CMOS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。（3）超聲波接收電路圖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，電路驅(qū)動(dòng)能力提高

5、。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)

6、如下： 1）一般式用運(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

7、：圖1-2-6由LM1812構(gòu)成的接收電路    (4) CX20106構(gòu)成的接收電路圖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

8、框圖圖2-1系統(tǒng)總體框2.2 各部分電路圖2.2.1單片機(jī)電路圖2-2-1最小系統(tǒng)2.2.2 超聲波發(fā)射電路圖2-2-2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2.2.4 LCD液晶顯示電路圖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。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

9、.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)回波速度的影響，回波檢測(cè)對(duì)超聲傳播時(shí)間的影響，超聲測(cè)距可以提高。11計(jì)