傳感器超聲波測距系統(tǒng)設計

1、吉林建筑工程學院電氣與電子信息工程學院傳感器及檢測技術課程設計報告設計題目： 超聲波測距系統(tǒng)設計 專業(yè)班級： 電子信息科學與技術 學生姓名： 學 號： 指導教師： 設計時間： 2012.6.42012.6.15目 錄摘要.I Abstract.II第1章 緒論.11.1背景和意義.11.2國內外發(fā)展情況.11.3系統(tǒng)功能.1第2章 總體方案設計.32.1系統(tǒng)框圖.32.2器件選擇.32.3設計方案.3第3章 硬件設計.53.1發(fā)射電路設計.53.2接收電路設計.53.3顯示模塊的設計.63.4溫度處理電路設計.63.5報警電路處理模塊.73.6處理器AT89S51 7第4章 系統(tǒng)軟件設計94.

2、1軟件流程圖.9第5章 總結11 參考文獻.12附錄I13 附錄：程序清單.14摘要超聲波是一種特殊的聲波，為直線傳播方式，頻率越低，繞射能力越弱，反射能力越強，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。本次論文介紹了一種以單片機作為微處理器的超聲波測距系統(tǒng), 利用超聲波傳感器的測距原理并配合顯示器,制成了低成本智能超聲波測距系統(tǒng)。分析了環(huán)境溫度對波速的影響，介紹了幾種提高測量精度的方法，給出了電路原理圖和軟件設計流程圖。 實驗結果驗證了本系統(tǒng)具有成本低、精度高、電路簡單以及抗干擾性好等優(yōu)點,可以廣泛地應用于一些中小規(guī)模的測量系統(tǒng)。AbstractUltrasonic is a kind of

3、 special sound waves which transmitted in straight lines. The lower the frequency is , the worse its diffraction ability and the better its reflection ability will be. Such performance of ultrasonic can be used to make ultrasonic sensor. This paper presents an ultrasonic distance measurement system

4、which take use of the distance measurement principle of ultrasonic sensor provided with monitor to make a lower-cost intelligent ultrasonic distance measurement system. It analyzes the interference of environmental temperature towards wave speed, introduces several methods to improve measurement pre

5、cision and also presents the flow chart of circuit principle and software design. The experimental result shows that this system processes many advantages, such as low cost, high precision, simpleness, anti-jamming etc. It can be widely applied to some medium and small scale measurement system.第1章 緒

6、論1.1背景和意義人類了解聲波的時間并不長，對超聲波這一耳不能聞的物質的了解更是近代歷史才涉足。如同人類知道可見光只占整個光世界的一部分一樣，人耳能聽見的聲音只占整個聲波世界的一部分，人類感官能直接感覺到得，對它的認識就要多，而不為感官所感覺的就要認識的少，可是恰恰是這不為人類所認識的部分，卻為我們的世界帶來了不小的改變。聲和光是我們認識世界的最直接的感覺，現行很多科學技術都是以聲和光為手段完成的。今天，我所完成的系統(tǒng)設計就是以超聲波為媒介，來完成物體之間距離的測量。說道測距，時至今日方法數不勝數，有電阻抗測量方式、光強測量方式以及原始的機械計數測量，它們各有特點，應用在不同的領域，共同為我們

7、的生活帶來便捷。超聲波測距最主要的是利用聲波的強反射性，與光和點的測量不同，它單一、結構簡單，無需配備附屬的器件。電測量利用電阻抗的相對變化，多數需要成對的器件來引起阻抗的變化；光測量多需要感光物質，雖然它測量精度極高，但器件精細貴重，不易普遍采用。超聲波測距只需將探測頭對準物體，測量簡單方便，適用在精度要求不高的場合。1.2國內外發(fā)展情況超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間

8、差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，目前國際上設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。1.3系統(tǒng)功能介紹由于超聲波是高頻波，不能被人耳所聽，因此它得以用在對環(huán)境條件要求嚴格的地方。目前所知，日常生活應用方面：由于人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設加快，城市車輛逐漸增多，因為停車不當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，一個能夠直觀的測出汽車與障礙物之間的距離的裝置就變得十分必要。它可以即使將車輛與障礙物之間的距離反映出來，給司機更準確的信息和更多的反應時間，減少事故的發(fā)生；軍事方面：超聲波聲納已經廣泛的應用于偵查探測等方面，如何提高期測量精度已經是

9、正在著重研究的課題之一；工業(yè)應用方面：超聲波測距儀的設計方便了管道的距離探測，消除了一些空間方面的限制。第2章 總體方案設計本設計采用單片機為主控，力求測量、檢測、顯示、報警于一體，避障系統(tǒng)要求結構簡單、便于操作、成本低廉、適用范圍廣泛。2.1系統(tǒng)框圖在本次設計中，我以51單片機為主控芯片，各部分功能用外部電路來完成，這其中包括了電源電路、報警電路、溫度電路，聲波發(fā)射電路、聲波接收電路以及用于顯示的顯示電路，各部的關系如圖21所示：2-1 設計思路框圖2.2器件選擇本次超聲波測距器由單片機計時及控制電路、超聲波發(fā)射電路，超聲波檢測接收電路、溫度時時檢測電路、報警警示電路、顯示電路等部分組成，采

10、用AT89C51單片機作為計時主控制器，用TCT4016T作超聲波的發(fā)射器，用TCT4016R作超聲波的接收器，在接收電路的處理模塊采用的是專業(yè)的超聲波測距處理軟件TL852，顯示電路采用了74LS244為處理芯片。2.3設計方案電源電路為單片機提供電源，由單片機AT89C51編程產生40kHz的方波，由P3.6口輸出，再經過放大電路，驅動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離,并由單片機控制顯示出來。該測距裝置

11、是由超聲波傳感器、單片機、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖2-3所示。圖2-3 時序圖單片機在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。第3章 硬件設計3.1發(fā)射電路設計由單片機產生的40kHz的方波需要進行放大，才能驅動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅動電路其實就是一個信號放大電路，我所選用的是74HC04集成芯片，圖3-1發(fā)射電路圖圖3

12、-1 發(fā)射電路3.2接收電路設計超聲波接收頭接收到超聲波后，轉換為電信號，此時的信號比較弱，必需經過放大。本系統(tǒng)采用了LM741對接收到的信號進行放大，接收電路如圖3-2所示。圖3-2 接收電路3.3顯示模塊的設計LED(Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。LED數碼管結構簡單，價格便宜。圖3-3示出了八段LED數碼顯示管的結構和原理圖。圖3-3(a)為八段共陰數碼顯示管結構圖，圖3-3(b)是它的原理圖，圖3-3(c)為八段共陽LED顯示管原理圖。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別與同名管

13、腳相連。七段LED顯示管比八段LED少一只發(fā)光二極管SP，其他與八段相同。圖3-3 八段LED數碼顯示管原理和結構3.4溫度處理電路設計為滿足精度要求，在整個設計中，我們考慮溫度的影響。溫度傳感器種類眾多，在高精度，高可靠性的場合，由DALLAS公司生產的DS18B20將作為首選，它體積小、功率小、抗干擾能力強，DS18B20精度高，能精確到0.50C的測量精度，而且響應時間短，750ms的工作周期，保證了及時性，DS18B20還具有全數550C+1250C都能工作字轉化輸出，先進的但數據總線通信，測量范圍廣，在-的優(yōu)點。本設計采用DS18B20作為溫度處理模塊，其電路連接如圖3-4所示：圖3

14、-4 溫度模塊電路圖 11在考慮溫度因素后，不采用前面的公式，因為DS18B20輸出的是攝氏度的數據，而采用以下的公式進行換算處理：T=c+273 （3-1） v=331.41+v=331.41+T （3-2）273c+273 （3-3） 2733.5報警電路處理模塊依靠超聲波測量距離之后，由MCU處理，由于是避障系統(tǒng)，當距離達到或小于某一數值時，希望能被報警，引起警戒，所以設計中加入了報警系統(tǒng)，它由單片機控制蜂鳴器來工作。我們設定S0為警戒報警值，當S>S0時，單片機一引腳導通，經三極管對信號放大，蜂鳴器響起，其電路圖如圖3-5所示：圖3-5 蜂鳴報警電路3.6處理器AT89S51本次

15、設計的處理器，我采用了目前應用較多的51系列單片機AT89C51單片機，AT89C51的優(yōu)勢在于片內有Flash存儲器，它繼承了MCS51的原有功能，能和其他一些AT89系列單片機兼容。AT89C51單片機內部結構及主要性能特點：40個引腳，雙列直插式封裝；有4個8位I/O借口，有全雙工增強型UART，可編程串行通信；2個16位定時/計時器；5個中斷源，2個中斷優(yōu)先級；有片內時鐘振蕩器（全靜態(tài)工作方式，024MHz）；有128字節(jié)內部ROM，4KB Flash ROM(可以擦出1000次以上，數據保存10年)；電源控制模式靈活（時鐘可停止和恢復，空閑模式，掉電模式）。另外，其程序的下載簡單，生

16、成程序簡單，應用C語言完成編寫。圖3-6 單片機引腳功能第4章 系統(tǒng)軟件設計4.1軟件流程圖單片機編程產生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產生的負跳變在單片機的外部中斷源輸入口產生一個中斷請求信號，響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，然后通過軟件譯碼，將數據輸出P0、P1和P2口顯示。綜合以上的分析可得到系統(tǒng)主程序流程圖，系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4-1所示，中斷處理流程圖如圖4-2所示。圖4-1 系統(tǒng)主程序流程圖圖4-2 中斷處理程序流程圖第5章 總結本學期傳感器的課程設計，目的是通過我們的動手能力和思

17、維，完成對超聲波的認識和應用，對單片機AT89S51的學習，通過實際操作和上網查閱相關資料，更好的對超聲波測距系統(tǒng)的掌握。課程設計過程中，遇到了許多問題，對專業(yè)知識掌握的不夠扎實，會在設計時方向有些偏，或者程序設計的冗長，做了不少無用功，這些都是對知識掌握的不熟練導致的，還有就是對各器件應用的不熟練，這些問題在課程設計中充分的體現出來了，不過通過此次課程設計，也讓我認識到了，專業(yè)課的重要性，以前感覺這些課程有些沒什么用處，現在通過課程設計，感覺到自身的不足，專業(yè)知識的欠缺，尤其是對專業(yè)中要用到的一些器件知識掌握的不熟練，這些都是我在今后的學習生活中需要充實自己的地方。這次設計中，很多知識都快忘

18、了，過程中總要翻看原來的筆記才能勉強設計，通過設計此裝置，深刻的明白了它的工作原理，內部結構，應用意義，性能等方面。在設計的過程中，使我在滿足設計要求的條件下，廣開思路，大膽創(chuàng)意，并到圖書館，網上翻閱和搜集相關資料，為這次設計作了準備。通過對超聲波測距系統(tǒng)的設計，不僅使我了解到目前該系統(tǒng)應用的廣泛和意義，同時也對單片機AT89S51的知識掌握的更加牢靠，對今后的學習和工作有很重要的影響。參考文獻1.梁森 歐陽三泰·自動檢測技術及應用·機械工業(yè)出版社·20112.張毅剛·單片機原理及應用·高等教育出版社·20103.胡漢才·單

19、片機原理及系統(tǒng)設計·清華大學出版社·20044.何立明·單片機應用技術選編·北京航空航天大學出版社·20085.閻石·數字電子技術基礎·高等教育出版社·20036. 胡均安·工程測試技術基礎·華中科技大學出版社·2000附錄I：附錄：程序清單#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define ulong unsigned long#define uint unsigned intsbit P36=P36;sbit P32=P32;uc