超聲測(cè)距儀實(shí)驗(yàn)

超聲測(cè)距儀實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹??掌握超聲波傳感器的原理2.了解超聲波測(cè)距原理3?初步認(rèn)識(shí)超聲波測(cè)距儀的實(shí)驗(yàn)方案【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】實(shí)驗(yàn)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。首先根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的功能來確定所需要的硬件設(shè)備。硬件電路確定好以后，根據(jù)電路要實(shí)現(xiàn)的功能，編寫相應(yīng)的軟件模塊。硬件方案設(shè)計(jì)基于51系列單片機(jī)的超聲測(cè)距方案，利用51單片機(jī)系統(tǒng)的I/O口，使超聲波傳感器發(fā)出40kHz的超聲波，反射回來的超聲波信號(hào)，經(jīng)過CX20106A放大、整形等電路處理后進(jìn)入單片機(jī)，通過測(cè)量超聲波渡越時(shí)間并計(jì)算確定其對(duì)應(yīng)的距離，最后由LED顯示出距離。該系統(tǒng)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、顯示模塊和按鍵報(bào)警模塊等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1基于圖1基于AT89S51單片機(jī)的測(cè)距儀設(shè)計(jì)框圖2?軟件方案設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序、定時(shí)子程序、顯示子程序，發(fā)射子程序，接收子程序等模塊組成。程序的流程圖如圖2所示。包括主程序，定時(shí)中斷子程序,外部中斷子程序。(a) (b) (c)(a)主程序(b)外部中斷子程序(c)定時(shí)中斷子程序流程圖圖2軟件流程圖【實(shí)驗(yàn)原理及電路模塊】1.超聲波傳感器原理超聲波是一種頻率超過20kHz的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。壓電傳感器屬于超聲傳感器中的一種。其中，壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)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時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收傳感器。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率f0發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。共振板壓電晶片圖共振板壓電晶片圖3壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖超聲波測(cè)距原理圖4是超聲波測(cè)距的原理圖。超聲測(cè)距基于聲波反射特性。超聲波在空氣中的傳播速度與一般聲音的傳播速度相同，因此通過測(cè)出超聲波在空氣中的傳播時(shí)間，就能計(jì)算出傳播的距離。超聲波測(cè)距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出傳感器距障礙物的距離S為：S=CXt/2 (2-1)發(fā)射端與接收端距離h已知，可得到測(cè)量距離d為：d=s2-(生)2 (2_2)當(dāng)S?h時(shí)，d?S。在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測(cè)量中，常使用40kHz的超聲波。距離測(cè)量系統(tǒng)常用的頻率范圍為25kHz?300kHz的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號(hào)以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強(qiáng)大的發(fā)射信號(hào)；記錄/控制部分啟動(dòng)或

關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。超聲距離檢測(cè)裝置的組成模塊測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器，。測(cè)距電路的接入單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)反向電路放大后來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超聲波，當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，單片機(jī)響應(yīng)，根據(jù)時(shí)間差，計(jì)算距離。3.1超聲波發(fā)射接收模塊超聲波發(fā)射接收電路如圖5所示。該電路簡(jiǎn)單實(shí)用，通過CX20106A的接收、放大、解調(diào)、整形增強(qiáng)接收信號(hào)，比較適合本設(shè)計(jì)需要。圖5超聲波發(fā)射接收?qǐng)D圖5超聲波發(fā)射接收?qǐng)D發(fā)射部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)P1.0口輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一路反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩極反向器后送到超聲波的換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用來提高驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。接收部分:考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz比較接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。本設(shè)計(jì)中就是利用這一芯片來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)接收電路，由超聲波發(fā)射器發(fā)射出來經(jīng)被測(cè)物反射回來的約40kHz的超聲波脈沖，被超聲波接收器接收，形成大約幾“V的電壓信號(hào)，從①腳送入前置放大器進(jìn)行預(yù)放大。調(diào)節(jié)②腳上的電阻R14可以改變?cè)摷?jí)的放大倍數(shù)，也是整個(gè)接收裝置的靈敏度。減小R14可以提高靈敏度,但是靈敏度過高會(huì)使工作不穩(wěn)定，易受干擾，因此綜合考慮各方面的因素，不可片面追求高增益。在①腳和②腳之間設(shè)置由ABLC（自動(dòng)偏置控制）電路，有利于抑制過大的信號(hào)沖擊

干擾和提高對(duì)微弱信號(hào)的放大能力。經(jīng)前置放大后的信號(hào)用阻容耦合至下一級(jí)做限幅放大，兩級(jí)放大總增益約80dB，然后再經(jīng)過帶通濾波器。40kHz左右的信號(hào)可以順利通過濾波器，而偏離40kHz較遠(yuǎn)的信號(hào)將被嚴(yán)重衰減，難以到達(dá)輸出端。換句話說，CX20106A能有選擇的放大某一定頻率范圍(40kHz左右)的信號(hào)，對(duì)于該范圍以外的其他頻率的信號(hào)不予放大或放大倍數(shù)很小。這一頻率范圍是與超聲波發(fā)射端的電路約定好了的。因此這種方法能很有效的排除了干擾信號(hào)。通過帶通濾波器挑選輸出的信號(hào)到達(dá)檢波器、積分器，經(jīng)檢波并慮除高頻載波成分，拾取出包絡(luò)信號(hào)，但這時(shí)的波形還不規(guī)整，主要表現(xiàn)在波形的上升沿和下降沿不夠陡峭，而是有一個(gè)慢慢變化的過渡過程。所以還需要通過最后一個(gè)環(huán)節(jié)一整形電路(施密特觸發(fā)器，也稱作幅度鑒別器)，才能得到規(guī)整的脈沖信號(hào)從⑦腳輸出。3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)電路(1)復(fù)位電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用復(fù)位端經(jīng)電阻與Vcc電源接通實(shí)現(xiàn)按鍵電平復(fù)位，如圖6。VCC半壯F25V半壯F25VVcc89s51Sl|RESET89s51RSTR110KVss圖6按鍵電平復(fù)位電路圖(2)時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)。為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在惟一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器組成，如圖7所示。

C5XTAL1GND?30p || C5XTAL1GND?30p || |Y11——12MC6IXTAL23Op圖7時(shí)鐘電路圖3.3顯示電路設(shè)計(jì)MCS-51系列單片機(jī)具有4個(gè)并行口，其中P0口是一個(gè)通用的數(shù)據(jù)輸入/輸出口，P2口是數(shù)據(jù)/地址復(fù)用的通道口，在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，送出高8位地址，P3口具有第二功能，常用做控制信號(hào)，P1口是用戶可以使用的輸入/輸出口。1） 動(dòng)態(tài)顯示原理當(dāng)LED顯示位數(shù)較多時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低成本，將所有位的字段線對(duì)應(yīng)并聯(lián)，由一個(gè)8位I/O口控制，形成段選線多路復(fù)用。而字位的選擇由另外的I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位的分時(shí)選通。2） LED顯示器的字段與字位信號(hào)產(chǎn)生器件采用八同相三態(tài)總線收發(fā)器74LS245芯片連接4個(gè)共陽LED顯示器的字碼段。為了對(duì)4個(gè)LED顯示器進(jìn)行字位選擇，采用P2口四個(gè)信號(hào)線，通過四個(gè)三極管放大驅(qū)動(dòng)四個(gè)數(shù)碼管，循環(huán)點(diǎn)亮各個(gè)LED顯示器。3）顯示動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路原理圖，如圖,8所示。y15TT3119

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