毕业设计_基于at89s51单片机超声波测距系统的设计(编辑修改稿)

毕业设计_基于at89s51单片机超声波测距系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

的时间。 将 (34)式代入 (33)式可得 : )](c o s [21 HMa rctgvtH  （ 35） 襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 10 式中，超声波的传播速度 v 在一定温度下是一常数。 如 :在温度 T=0℃时， v=。 当被测距离 H远远大于 M时， 1)](c o s [ HMarctg ，于是 (35) 式变为 : vtH 21 （ 36） 由此可见，要想测得距离 H，只要测得超声波的传播时间 t即可。 系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的，系统结构如图 所示 图 超声波测距硬件电路图 超声波测距系统的具体工作过程计划如下 : 由单片机发出 40kHz 的脉冲串。 脉冲发生器的输出信号 fl 通过脉冲放大器后 ，其输出信号为 f2。 f2 被施加于超声波发射换能器 T 上，这时超声波发射换能器 T发出超声波信号。 单片机在超声波发射传感器发出超声波脉冲的时刻开始计时。 超声波信号被超声波接收换能器 R 收到，并超声波接收换能器 R的输出信号为 f3, f3 通过 4级选频放大器和 4级门限电路后，其输出信号为 f7。 当单片机接收到 f7 时，单片机立即停止计数。 单片机读得时间值。 f2 f5 f5 f1 f3 f4 f6 单片机 选频放大器 门限电路 门限电路 选频放大器 选频放大器 门限电路 门限电路 选频放大器 脉 冲放大器 脉 冲 发生器 R T 超声波发射换能器 超声波信号 超声波接收换能器 f7 f6 f1 激发电路 襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 11 单片机计算数据 显示 电子市场上常见的超声探头是收发分体式，一般频率为 40kHz。 如果需要更高频率的超声探头，比如几百 赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。 鉴于有限的条件，本文中选用的探头是 40kHz 的超声传感器，有一支接收传感器 SZWR401 OP 和一支发射传感器 SZWS4012M,其特性参数如表 31所示。 中心频率 kHZ140 kHZ140 灵敏度 声压 0. 02 m P a )( 0dBm in 11 5dB  )/10m in(70 ba rVdBdB  指向性 75 80 容量 Pf%152500 Pf%251100 最低使用温度 C40 C40 最高使用温度 C85 C85 最小探测距离 最大探测距离 10m 10m 分辨率 9mm 9mm 最大输入电压 20Vpp连续信号 表 31 传感器特性参数 发射电路通常有调谐式和非 调谐式。 在调谐式电路中有调谐线圈 (有时装在探头内 )，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄。 在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。 为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声波。 电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率 40kHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。 发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接 收电路的设计就相对简单一些。 但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 12 电路造成不可恢复的损害。 因此，工作电压不能超过这个极限值。 同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。 通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。 电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。 电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。 发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过 几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。 接收部分就是由四级放大电路构成，最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。 超声波发射电路 要电路能正常工作，就要求在没有加任何外加信号时，触发器截止的晶体管能可靠地截止，导通的晶体管能可靠的饱和 [13]。 (1}截止条件 图 截止晶体管的基极部分等效电路图 当一个晶体管截止时，另一个饱和。 由于导通晶体管饱和，导通管 集、射极之间的管压降可以用电压 Uces(三极管的集电极饱和电压降 )来等效。 因此截止晶体管的基极部分等效电路图如图 所示。 设晶体管临界截止的基极电压为 Uboc，则保证晶体管截比的基极电压 Ubo≤ Uboc，则 襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 13 b o cbc b obbbb bc e sb UEIRR RRRRR EUU 0 (37) bocb bc b obbcesbo URR RRIRERUU   (38) 从式 38 可以看出 :Rb 、 |Uces|越小， |Eb| R 越大，基极和发射极之间反向偏电压降越大，三极管截止越深。 反之，截止较浅，当三极管截止时，使三极管的反向偏置电压降在 01伏之间，式 38 可简化为 : RRIUU EUR c bobocc e s bbocb   (39) 这是选择 Rb的条件。 对硅管而言， Icbo很小 ( A)可以忽略不计。 (2)导通条件 图 等效电路 图 对导通三极管而言，要求基极电流大到保证使集电极电流饱和。 而另一个三极管是工作在截止状态，但集电极仍有一小电流 Icbo，因此导通三极管基极部分的电流如图 所示。 这时，基极电压为 Ubs，基极电流为 Ibs、集电极电压为 Uces。 因此 bbbsbbsc b occRbRbs R EURR UIREIII   (310) 0 ccesccsbscbs R UEIII  (311) 从上式可知， Rb 、 |Ec|越大， |Eb|、 R越小，三极管饱和较深。 式 311 可简化为 : 襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 14 )00)(()( ))((csccbsc b occccbbscb UERRUIRER REURRR     (312) 对硅管而言， Icbo 很小可以忽略不计。 当 bsc UE  ， cesc UE  ， bsb UE  ，cc RRR  时，则上式可近似为 : cbb E RER  (313) 这是选择 Rb的另一个条件。 根据以上理论依据设计超声波测距系统发射电路如下 : TR 95 KQ 39 0 1 3+ 1 5 VE 6b 3R 81 5 KE 5 1 5 VR 72 K+ 2 5 VE 4R 63 . 3 KC 2Q 29 0 1 3b 2R 51 0 0 KE 2 1 5 VR 45 K+ 1 5 VE 3R 33 . 3 KC 1Q 19 0 1 3+ 5 Vb 1R 12 KR 21 5 KE 1 1 5 V 图 超声波发射电路 (1)、三极管 Q1 当 Q1截止时 此时 A点电压为零 )( 151 VU b  可将根据所设计的参数，三极管 Q1 可以可靠截止。 当 Q1导通时 )( mAI cs  a、 E1 单独作用时 )(115 1 mAI  b、 A 点电压单独作用时 )( 2 mAI  襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 15 由上面两式可得， )( mAIIIb  于是 mAmAII bc )(1 1 511   所以，根据所选参数，三极管的 Q1 可以深度饱和导通。 (2)、三极管 Q2 当 Q2 截止时 a、 E2单独作用时 )( 0 152 VU b  b、 VUc  单独作用时 )( 2 VU b  )( VUUU bbb  可将根据所设计的参数，三极管 Q2 可以可靠截止。 当 Q2导通时 a、 E3 单独作用时 )( 1 mAI  b、 E2 单独作用时 )(1 4 0 0 2 mAI  由上面两式可得 : )( mAIIIb  于是 mAmAII bc )(1 5 622   所以，根据所选参数，三极管 Q2可以处于深度饱和导通。 (3)、三极管 Q3 当 Q3 截止时 a、 E5 单独作用时 )( 153 VU b  b、 VUc  单独作用时 襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 16 )( VU b  )( VUUU bbb  可将根据所设计的参数，三极管 Q3可以可靠截止。 当 Q3 导通时 )( mAIcs  a, E4 单独作用时 )( mAI  b. E5 单独作用时 )( mAI  由上 面两式可得： )( mAIIIb  于是 mAmAII bc 6)(1 7 633   所以，根据所选参数，三极管 Q3 可以处于深度饱和导通。 振荡电路 振荡电路目的是提供 40kHz 的脉冲。 当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电能可以高效率的转化为机械机械能。 一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是 40kHz，实际有偏差，如 40177。 故可设计可 调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。 在超声测距中，一般采用 40kHz 的信号。 振荡电路可以通过硬件来产生，有多种设计方案比如555 , CMOS 电路 CD4046 等。 由 555芯片组成的振荡电路外围元件少，电路简单，振荡频率可调，占空比可调，采用 555 构成的振荡电路原理图如图 [14]。 襄樊学院 毕业设计（论文）报告纸 第 页 17 图 NE555 构成的振荡电路原理图 当 555 定时器输出高电平时，放电管 T 截止。 电源编对电容充电，充电回路为 :  111 CDRRV WaDD 地。 充电时间常数 1)1(1 CRR Wa。 当电容充电电压32 DDc Vu  时，定时器输出变为低电平，放电管 T。