基于单片机的超声波测距设计设计论文.docx
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基于单片机的超声波测距设计设计论文
课题:
超声波测距
一、设计目的
由于超声测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色等的影响,较其它仪器更卫生,更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境,具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品(酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品)、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同环境中进行距离准确度在线标定,可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制,可进行差值设定,直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
因此,超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求。
由于超声波测距系统具有以上的这些优点,因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用
二、设计要求
1、设计一个超声波测距器,用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置控制;
2、要求测量范围在0.10~4.00米,测量精度1厘米,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。
三、总体设计
3.1超声波测距的基本原理
谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。
超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。
利用超声波的这种性能就可制成超声传感器,或称为超声换能器,它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。
换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能,向外发送超声波;反之,当换能器处在接收状态时,它可将声能(机械能)转换为电能。
3.1.1超声波发生器
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:
一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
3.1.2压电式超声波发生器原理
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图1所示,它有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。
反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。
图1超声波换能器内部结构图
3.1.3超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:
s=340t/2
最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物面的距离s,即:
s=340t/2。
由于超声波也是一种声波,其声速V与温度有关。
在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。
如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。
声速确定后,
只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。
这就是超声波测距仪的基本原理。
如图3-1所示:
超声波发射障碍物
S
H
θ
超声波接收
图2超声波的测距原理
(3-1)
(3-2)
式中:
L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
(3-3)
式中:
v—超声波在介质中的传播速度;
t—超声波从发射到接收所需要的时间.
将(3—2)、(3—3)代入(3-1)中得:
(3-4)
其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(3—4)变为
(3-5)
所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.
3.2超声波测距器的系统框图
图3超声波测距器的系统框图
3.3主程序框图
图4主程序框图
四、各部分电路设计
4.1超声波发射电路
图5超声波发射电路
超声波发射电路主要由反向器74HC04和超声波发射换能器LS1构成,如图7所示。
图中LS1为超声波发射器。
输出端采用两个反向器并联,用以提高驱动能力。
上拉电阻R2,R3一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。
工作时,单片机的定时器T0产生信号,从P1.3端口输出,一路经过一级反向器后送到超声波发射器LS1的一个电极,另一路经过两极反向器后送到超声波发射器LS1的另一个电极,从而将40KHz电脉冲信号加到超声波发射器LS1,使LS1发射超声波。
电路采用推挽形式,向超声波发射器LS1提供电脉冲信号,可以提高超声波的发射强度。
4.2超声波接收电路
图6超声波接收电路
超声波接收电路主要由超声波接收换能器LS2和超声波检测接收模块构成,如图8所示。
图中LS2为超声波接收器。
U2是超声波检测接收模块,设计时选用了红外线检波接收专用集成电路芯片HD74HCO4P。
电路中设置的电容C2,适当更改其大小,可以改变接收电路的抗干扰能力;适当改变电路中的电容C4,可改变电路的灵敏度。
4.3数码管显示电路
图7数码管显示电路
显示电路采用LED数码管显示。
LED数码管显示有静态显示方式和动态显示方式,本系统采用并行输出的动态显示方式。
(1)动态显示原理
七段LED显示器由8个发光二极管组成,通常构成字形“日”,其中有一个发光二极管用来显示小数点。
各段LED显示器由驱动电路驱动,控制相应的二极管导通,相应的一个笔画或一个点就发光,由此就能显示出对应字符。
通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端;将各段发光二极管阳极连在一起的叫共阳极显示器,用低电平驱动;将阴极连在一起的叫共阴极显示器,用高电平驱动。
4.4单片机最小系统
图8单片机最小系统
单片机最小系统是单片机能正常工作的最小外接电路单元,是设计电路的核心部分,也是整个作品最关键的最重要的部分。
单片机最小系统包括:
复位电路、晶振电路
五、整体电路图
图9整体电路图
六、设计总结
由于是第一次做实物,刚看到题目觉得无从下手。
后来请教一下同学,又上网搜了一些资料,开始静下心来,按照步骤开始做课程设计,先是按照功能需要设计原理图,同时上网搜了一些程序做参考,然后按照需求,结合课本来编写程序。
然后做仿真,这之中出现了很多错误,经过多次请教与修改才仿真成功。
仿真成功后,按照要求做出了PCB图。
接下开始焊接电路板,本来以为是很简单的事,真正去做的时候才发现它的困难,好不容易焊好后发现竟然不能用,原来是焊锡用多了,有个地方短路了,经过修改,终于能够显示出数据了,过了一天再去测试的时候竟然数据不会动了,多次检查发现原来是电池老化,用电压表测,发现只有3.9V。
重新换上电池才能正常工作,电压不稳定也成了这个设备的一个缺点,如果条件允许,改成usb稳定供电的效果会比较好,总之在老师和同学们的帮助下,又翻阅大量的资料,终于完成了我的课程设计。
通过这次的课程设计在很大程度上提高了我的动手能力,加深了我对理论知识的理解和应用。
参考文献
(1)单片机原理及应用杨恢先黄辉先主编人民邮电出版社
附:
部分源程序
/*--------------------------------------
MCUAT89C52XAL12MHz
--------------------------------------*/
#include
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#defineulongunsignedlong
bitsymbol;
uchardispbit[13]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x00,0xff,0x7f};
ucharscanbit[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};
sbittransmit=P3^3;
datauchartestok;
voiddisplay(uchar*temp)
{
uchari;
for(i=0;i<4;i++)
{
if(i==2&&symbol==1)
P0=dispbit[*temp]&0x7f;
elseP0=dispbit[*temp];
P2=scanbit[i];
delayus(200);
temp++;
P0=0xff;
P2=0xff;
}
}
voidcs_t()
{
uchari;
transmit=1;
TH0=0;
TL0=0;
TR0=1;
for(i=0;i<6;i++)
{
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
transmit=~transmit;
}
transmit=1;
}
/
voidmain(void)
{
uchardatadispram[5]={0x0a,0x0a,0x0a,0x0a,0x0a};
datauinti;
dataulongtime;
dataulong_temp;
symbol=0;
P0=0xff;
P2=0xff;
TMOD=0x11;
IE=0x80;
while
(1)
{
cs_t();
delayus(10);
testok=0;
EX0=1;
ET0=1;
while(!
testok)display(dispram);
if(testok==1)
{
time=TH0;
time=(time<<8)|TL0;
time*=174;
time/=10000;
dispram[0]=(uchar)(time%10);
time/=10;
dispram[1]=(uchar)(time%10);
time/=10;
dispram[2]=(uchar)(time%10);
dispram[3]=(uchar)(time/10);
if((dispram[2]!
=0)|(dispram[3]!
=0))symbol=1;
elsesymbol=0;
}
else
{
dispram[0]=10;
dispram[1]=10;
dispram[2]=10;
dispram[3]=10;
}
for(i=0;i<10;i++)display(dispram);
}
}
//
voidcs_r(void)interrupt0
{
TR0=0;
ET0=0;
EX0=0;
testok=1;
}
voidovertime(void)interrupt1
{
EX0=0;
TR0=0;
ET0=0;
testok=2;
}
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- 基于 单片机 超声波 测距 设计 论文