专科毕业设计-单片机超声波测距器的设计

专科毕业设计-单片机超声波测距器的设计内容摘要：

电路可以用光电传感器来制作。 但光电传感器不能探测透明的物体。 红外线传感器在探测物体时需要有象人和动物那样与周围有一定的温度差这个条件。 超声波传感器则不受这些条件的限制，对于透明的或其它物体都可以探测。 超声波传感器探测物体有直接探测方式与反射探测方式。 直接探测方式的接收/发射器要相互配置。 如果接收到超声波（有信号电压）时，说明接收/发射器中间没有被测物体。 反之，接收不到超声波（无电压信号）时，则中间有被测物体。 发射探测方式的接收/发射器可以较近配置，有反射波时，说明存在被测物体。 发射探测方式的接收/发射器有单独使用与共用两种方式，共用方式就是一个超声波传感即用作接收器，也用作发送器，但需要收发切换电路。 具体区别如表33所示。 配置方式用途特征直接型RT遥控探测物体1：探测灵敏度可自由设定，易于设计；2：设置场所需要在两处；反射方式TR探测物体测量距离1：需要从T向R直接迂回输入的对策；2：可使用T和R专用的传感感器，效率高；3：多用于近距离；反射方式（兼用型）T/R探测物体测量距离1：需要发送接收切换电路2：不能近距离测量；表33 传感器探测物体的区别本设计就是以AT89S51单片机为核心。 它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。 该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在数码管上显示出来。 虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89S51单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。 为了增强系统的可靠性，应在软硬件上采用一些特殊措施。 主程序框图如下图313。 单片机初始化开始定时中断子程序有回波吗外部中断子程序结束图313 主程序框图，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。 超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出现低电平)，立即进入中断程序。 进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。 如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。 如图314和315。 定时中断入口停止发射发射超声波定时器初始化返回三方向均发射完否 图314定时中断子服务子程序 计算距离读取时间值关外部中断外部中断入口返回开外部中断结果输出 图315外部中断服务子程序、第四章 系统调试 硬件的调试超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波换能器TCT4010F1（T发射）和TCT4010S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4～8cm，其余元件无特殊要求。 若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。 根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。 根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。 根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为1～60cm，测距仪最大误差不超过1cm。 系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。 仪器精度分析及如何提高超声测距精度本章将要分析温度对超声波声速的影响，超声波回波检测对超声波传播时间的影响，超声传感器所加脉冲电压对测试精度的影响。 在此基础上，设计了超声波数字测距仪。 超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。 由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。 这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。 本章从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响；回波检测对时间测量的影响和超声传感器所加电压对测量精度和范围的影响。 在此基础上，开发出了以AT89S51单片机为核心，采用40KHz压电超声传感器，应用广泛的超声测距仪。 空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。 因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。 例如：20℃时， T=， CS= m/s；40℃时， T=，CS= m/s；20℃时, T＝，CS= m/s；从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。 当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。 超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。 整个过程，超声波会有很大的衰减。 其衰减遵循指数规律。 设在距离超声接收器x处有被测物，超声波频率越高，其衰减越快。 同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。 但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。 由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数(万倍级)和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。 制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。 超声测距常用压电材料传感器，例如TR40压电超声传感器。 超声传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。 当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E的关系为：S=dE，其中d为应变电场常数。 超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。 这些会直接影响超声波的回波幅值。 所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。 系统设计 针对温度、回波和所加脉冲电压对超声测距精度的影响，在设计超声测距仪时，从硬件和软件两方面综合考虑，设置了发射、接收和显示几部分构成了超声测距仪的系统结构。 整个装置的中心控制和信号处理单元为单片机AT89S51，超声传感器采用TR40(40 kHz)收发超声传感器。 发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。 脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz脉冲电压。 它由与非门和电阻电容构成振荡电路。 发射电路主要任务是提高脉冲电压的幅值，它主要由脉冲变压器和开关管构成。 脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。 其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。 接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。 接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。 接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。 检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。 接收电路的主体是滤波放大电路。 由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。 滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。 软件设计：超声测距仪软件控制着系统的工作。 软件修正利用下面公式：S=CT/2在完成系统设计和制作装置后，对设计的电路进行了超声测距实验。 发射的脉冲数应选择合适，脉冲个数多时，发射换能器可以克服其振动惯量而获得充分的振动，其它声波模式影响较小，发射的超声脉冲能量大；但此时测距的盲区也大(测距盲区指的是可以测量的最小距离)，一般选择由8个脉冲组成。 电路在6米处的测量结果，幅值较小，测量过程中曾出现掉电现象，功率管发热严重，这说明功率消耗比较大。 可以看出，本电路的测量距离明显提高，而且管子基本没有发热现象，电源保持稳定。 可见，本电路的设计由于经过较严格的推导，器件选择合理，各参数得到优化，改善了换能器与功放间的阻抗匹配。 转换效率得到明显提高。 电路控制方便，性能表现良好，在距离9．5m处仍能得到较清晰的回波，使大范围的超声测距成为可能。 使用脉冲回波法测量距离，在考虑温度对声速度的影响、回波检测对超声传播时间的影响以及超声传感器所加电压对压电转换效率的影响时，超声测距精度可以提高。 所以在制作超声测距装置时，应增加温度测量环节，设计高放大倍数和高Q值的滤波放大电路，并提高加在超声传感器上的电压幅值。 总 结本设计系统采用了美国ATMEL公司生产的单片机AT89S51芯片。 以及其它常用芯片如：74LS0CX20106A等来设计超声波的接发收电路，实现了超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。 系统设计具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小。 在经多次的实践中超声波测得的距离还不是很长，还应该在这方面大大研究改进，使其功能更加完善并在各个地方中得到广泛的应用。 参考文献 【1】 贾伯年. 传感器技术. 南京: 东南大学出版社, 2000【2】 阎石. 数字电子技术基础. 北京: 高等教育出版社, 1998【3】 赵晶. Protel 99高级应用. 北京: 人民邮电出版社, 2000【4】周学毛. 汇编语言程序设计. 北京: 高等教育出版社, 1997 【5】李叶紫. MCS51单片机应用教程. 北京: 清华大学出版社,2002 【6】马西秦. 自动检测技术. 北京: 机械工业出版社, 2002 【7】 楼然苗. 51系列单片机设计实例. 北京: 北京航空航天大学出版社,1999 【8】 罗万钧. 汇编语言程序设计. 陕西: 西安电子科技大学出版社,1995 【9】 刘守亦. 单片机应用技术. 陕西: 西安电子科技大学出版社,1995【10】 肖玲尼. Protel 99 SE 印刷电路. 北京: 清华大学出版社, 2003【11】 梁立编. 程序设计基础与C语言. 陕西: 西安电子科技大学出版社,1998致 谢首先要感谢我的指导老师申一歌老师在毕业设计中给我的悉心指导和严格要求，没有您的指导我不会那么顺利的完成毕业设计，借此机会，向您表示由衷的感谢。 接着，我要感谢和我一起做毕业设计的同学，是你们在我做毕业设计期间给了我许多宝贵的意见，给了我不少支持，这让再一次感受到这个环境的团结友爱，也只有在这种氛围中，才有我小小的收获，衷心的谢谢你们。 最后，我要深深感谢我的家人，是他们一直在做我的强大后盾，在生活三一直支持着我，正是他们在背后默默的付出，我才能在校园中认真学习，才能顺利完成大学学业，才能在以后的路途中不怕艰险，勇往直前。 还有许多在我的大学期间给予。