濰坊科技學(xué)院

1、濰坊科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院設(shè)計(jì)題目： 超聲波測距儀的設(shè)計(jì) 專業(yè)班級： 09機(jī)電1班 學(xué)生姓名： 杜佳南 學(xué) 號： 目 錄一、課程設(shè)計(jì)目的3二、內(nèi)容及要求32.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容 32.2、設(shè)計(jì)要求 3三、超聲波傳感器的工作原理3四、系統(tǒng)框圖4五、單元電路設(shè)計(jì)原理45.1、51系列單片機(jī)的功能特55.2、超聲波發(fā)射電路 55.3、超聲波檢測接收電路 6六、完整的電路圖7七、程序流程圖7八、參考文獻(xiàn)8九、設(shè)計(jì)中的問題及解決方法9十、總結(jié)正文一、課程設(shè)計(jì)目的通過傳感器及檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測儀的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。二、內(nèi)容及要求超聲波

2、測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容采用40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離?？刹捎冒l(fā)射和接收之間的距離，也可將發(fā)射和接收平行放在一起，通過反射測量距離。功能：1）LED數(shù)碼管顯示測量距離，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位（單位：cm）。 2）測量范圍：30cm200cm。3）誤差0.5cm。 4）其它。2.2設(shè)計(jì)要求1）掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。2）獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3）設(shè)計(jì)說明書格式規(guī)范，層次合理，重點(diǎn)突出。并附上詳細(xì)的原理圖。三、超聲波傳感器的工作原理由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，

3、計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求。 目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號用單片機(jī)的定時(shí)器。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。理論計(jì)算如圖1所示為反射時(shí)間法，是利用檢測聲波發(fā)出到接收到被測物反射回波的時(shí)

4、間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測量回波時(shí)間T利用公式S=C*(T/2) 其中，S為被測距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（T=T1+T2），這樣可以求出距離：S=C(T1T2)/2圖1 測距的原理超聲波測距的算法設(shè)計(jì)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，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。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)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)

5、收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。四、系統(tǒng)框圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號，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。超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器圖2 超聲波測距儀原理框圖五、單元電路設(shè)計(jì)原理硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用AT

6、89C51或其兼容系列。采用12MHz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74LS04驅(qū)動(dòng)。5.1 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)5l系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4KB的ROM，256B的RAM，2個(gè)16B的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1，4個(gè)8 B的I/O端口：P0，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

7、(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。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖3所示。圖3 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I/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?？臻e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)

8、。5.2超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R7、R8一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。圖4 超聲波發(fā)射電路原理圖壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電

9、晶片和一個(gè)換能板。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率時(shí)，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。5.3 超聲波檢測接收電路如圖5可以看到，集成芯片CX40106在接收部分電路中起了很大的作用。CX40106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，也適用于超聲波，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率

10、38 KHz與測距的超聲波頻率40 KHz比較接近，而且CX40106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 KHz。故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。CX40106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX40106濾波器中心頻率相符的回波信號時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到AT89C51的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可

11、調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R2，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40KHz，就可達(dá)到理想的效果。圖5 超聲波檢測接收電路六、完整的電路圖（附于設(shè)計(jì)報(bào)告最后）開始七、程序流程圖初始化定時(shí)器啟動(dòng)定時(shí)器T0發(fā)射超聲波N開中斷準(zhǔn)備接收聲波返回Y關(guān)閉定時(shí)器讀取所記數(shù)值 圖6 主程序流程圖八、參考文獻(xiàn)1 梁森.自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2010.1 2 華兵.MCS-51單片機(jī)原理應(yīng)用.武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社.2002.53 胡萍.超聲波測距儀的研制.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化.2003.104 時(shí)德剛.劉嘩.超聲波測距的研究.計(jì)算機(jī)測量與控制.2002.105 李華.MCU-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).

12、北京：北京航空航天大學(xué)出版社.1993.66 蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京：人民郵電出版社.1993.77 張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京：中國科技大學(xué)出版社.1993.108 蘇偉.鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術(shù).2004九、設(shè)計(jì)中的問題及解決方法單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差tr，然后求出距離sct/2，式中的c為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(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決定最小的可測距離。為了增加所測量

13、的覆蓋范圍、減小測量誤差，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。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。十、總結(jié)以往每做一次課程設(shè)計(jì)，感覺自己的收獲總會不少，這次也不例外經(jīng)過為期兩個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，我將傳感器及檢測技術(shù)中的理論與實(shí)踐相結(jié)合起來，對超聲波傳感器的原理及功能也有了進(jìn)一步認(rèn)識理解，還將單片機(jī)的原理結(jié)合起來了。做課程設(shè)計(jì)是為了讓我們對平時(shí)學(xué)習(xí)的理論知識與實(shí)際操作相結(jié)合，在理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)一步鞏固已學(xué)基本理論及應(yīng)用知識并加以綜合提高，學(xué)會將知識應(yīng)用于實(shí)際的方法，提高分析和解決問題的能力。還有一點(diǎn)讓我很感動(dòng)，遇到問題時(shí)，同學(xué)不厭其煩的幫忙解決問題舉動(dòng)，意識

14、了一個(gè)團(tuán)體力量的偉大。在設(shè)計(jì)中，我們的設(shè)計(jì)思維，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力得到了很大的提高，也對電子設(shè)計(jì)有了很大的興趣?，F(xiàn)在的社會是科技的社會，在以后的學(xué)習(xí)生活中，我們會更加努力學(xué)習(xí)培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的能力，從而更加適應(yīng)社會。最后希望通過以后的學(xué)習(xí)，不斷提升自身各方面的能力，如對專業(yè)知識的掌握程度，動(dòng)手實(shí)踐能力等。經(jīng)過此次的課程設(shè)計(jì)，我們學(xué)會了合作。我們要形成自己的設(shè)計(jì)思想，以便在今后的專業(yè)課形成自己的風(fēng)格。同時(shí)在多多鍛煉自己的動(dòng)手能力，以便在以后的工作能獨(dú)立完成一些設(shè)計(jì)項(xiàng)目。附錄#INCLUDE <REG2051.H>#DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT

15、0;   P3_5                  /超聲波發(fā)送#DEFINE CSBINT    P3_7                  /超聲波接收#DEFINE CSBC=0.034#DEFINE

16、BG  P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/顯示標(biāo)識UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09段碼UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL;       VOID CSBCJ();VOID DELAY(J);    &#

17、160;                         /延時(shí)函數(shù)VOID SCANLED();                      

18、;        /顯示函數(shù)VOID TIMETOBUFFER();                  /顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)VOID KEYSCAN();VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN()     

19、60;                        /主函數(shù)     EA=1;                    

20、0;           /開中斷      TMOD=0X11;                   /設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器1定時(shí)     ET0=1;     

21、                         /定時(shí)器0中斷允許      ET1=1;                   

22、           /定時(shí)器1中斷允許      TH0=0X00;     TL0=0X00;     TH1=0X9E;     TL1=0X57;     CSBDS=0;     CSBINT=1;     C

23、SBOUT=1;     CL=0;     PTO=0XFF;     JPJS=0;     SJ1=45;     SJ2=200;     SJ3=400;     K4CL();     TR1=1;      

24、;                       WHILE(1)                  KEYSCAN();         &

25、#160; IF(JPJS<1)                      CSBCJ();           IF(S>SJ3)              

26、;        BUFFER2=0X76;                 BUFFER1=0X76;                 BUFFER0=0X76;      &#

27、160;                     ELSE IF(S<SJ1)                      BUFFER2=0X40;    

28、0;            BUFFER1=0X40;                 BUFFER0=0X40;                    

29、60; ELSE TIMETOBUFFER();                            ELSE TIMETOBUFFER();            /將值轉(zhuǎn)換成LED段碼    &

30、#160;      OFFMSD();             SCANLED();                  /顯示函數(shù)           IF(

31、S<SJ2)           BG=0;           BG=1;     VOID SCANLED()                    

32、   /顯示功能模塊    DIGIT=0X04;    FOR( I=0; I<3; I+)        /3位數(shù)顯示    P3=DIGIT&OPTO;        /依次顯示各位數(shù)        P1=BUFFER;   &#

33、160;    /顯示數(shù)據(jù)送P1口        DELAY(20);              /延時(shí)處理        P1=0XFF;             /P1口置高電

34、平（關(guān)閉）        IF(P3&0X10)=0)      /判斷3位是否顯示完           KEY=0;        DIGIT>>=1;           &

35、#160; /循環(huán)右移1位    VOID TIMETOBUFFER()                /轉(zhuǎn)換段碼功能模塊     XM0=S/100;           XM1=(S-100*XM0)/10;     XM2=S-100*XM0-

36、10*XM1;     BUFFER2=CONVERTXM2;           BUFFER1=CONVERTXM1;     BUFFER0=CONVERTXM0;VOID DELAY(I)                                  WHILE(-I);VOID TIMER1INT (VOID)  INTERRUPT 3  USING 2