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毕业设计超声波测距系统
毕业设计论文
题目
基于51单片机的超声波测距系统
设计
专业名称
机电一体化
学生姓名
指导教师
毕业时间
2015年11月
毕业设计任务书
指导教师:
高功臣
学生姓名:
陈亚丽学号:
020*******
一、设计题目基于51单片机的超声波测距系统设计
二、设计的目的
利用超声波的指向性强、能量消耗慢、传播距离远等特点,设计实现生活中很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距的工作
三、设计要求
1、熟练使用AT89C51单片机、超声波发射器、超声波接收换能器各种仪器。
掌握其原理,学以致用。
设计出超声波测距仪的硬件结构电路
2、对设计的电路进行分析能够产生超声波,实现超声波的发送与接收,从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。
3、对设计的电路进行分析
四)、参考文献
《单片机原理与接口技术》
《传感器应用》
《电子测量技术》
3.1发射电路设计··························3
3.2接收电路设计··························3
3.3显示电路设计··························3
4.1主程序流程图··························4
4.2超声波发生中断子程序·················4
4.3系统的软硬件的调试····················4
总结············································5
摘要
超声波是指频率在20KHZ以上的声波,它属于机械波的范畴。
超声波也遵循一般的机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。
正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。
系统的设计主要包括两部分,即硬件电路和软件程序。
硬件电路主要包括单片机电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路,另外还有复位电路和LED控制电路等。
我采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路。
整个电路采用模块化设计,由信号发射和接收、供电、温度测量、显示等模块组成。
超声波具有指向性强,能量消耗缓慢,传播距离较远等优点,所以,在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中,超声波测距是目前应用最普遍的一种,它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。
通过本次实验在老师的引导下加深了对专业知识的认识与应用,了解如何对成果的分析与总结,出现的问题该从什么地方入手,如何检查,如何解决。
培养了我要勇于思考,善于思考的能力。
关键词:
51单片机超声波测距系统
第1章绪论
1.1超声波测距设计背景和意义
近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。
随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。
超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。
超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。
正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。
一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。
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,因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的位置
信息(距离和方向)。
因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。
同时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。
1.2超声波测距设计项目发展
在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。
例如,液面测量就是一种距离测量,传统的电极法是采用差位分布电极,通过给电或脉冲来检测液面,电极长期浸泡于水中或其他液体中,极易被腐蚀、电解,失去灵敏性。
由于超声波具有强度大,方向性好等特点,利用超声波测量距离就可以解决这些问题,因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建,但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差,调试困难,可扩展性差,所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。
通过简单的外围电路发生和接收超声波,单片机通过采样获取到超声波的传播时间,用软件来计算出距离,并且可以采集环境温度进行测距补偿,其测量电路小巧,精度高,反映速度快,可靠性好。
1.3超声波测距设计原理
电能或机械能转换成声能,接收端则反之。
本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式 超声波传感器分机械方式和电气方式两类,它实际上是一种换能器,在发射端它把超声波换能器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。
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,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,就成为超声波接收器。
在超声波电路中,发射端输出一系列脉冲方波,脉冲宽度越大,输出的个数越多,能量越大,所能测的距离也越远。
超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志。
超声波测距的方法有多种:
如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。
本设计采用往返时间检测法测距。
其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后由超声波接收器接收脉冲,其所经历的时间即往返时间,往返时间与超声波传播的路程的远近有关。
测试传输时间可以得出距离。
假定s为被测物体到测距仪之间的距离,测得的时间为t/s,超声波传播速度为v/m·s-1表示,则有关系式(2-1)
s=vt/2(2-1)
在精度要求较高的情况下,需要考虑温度对超声波传播速度的影响,按式(2-2)对超声波传播速度加以修正,以减小误差。
v=331.4+0.607T(2-2)
式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。
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,为此,利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。
它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体动力型。
电声型主要有:
1.压电传感器;2.磁致伸缩传感器;3.静电传感器。
流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同,超声传感器的结构形式是多种多样的,并且名称也有不同,例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件,是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英,妮酸锂等,属
于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钦酸钡等。
其具有下列的特性:
把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。
因此,用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片,当压电晶片发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。
前者用于超声波的发射,后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电
材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
双压电晶片如图1-3所示,当在AB间施加交流电压时,若A片的电场方向与极化方向相同,则下面的方向相反,因此,上下一伸一缩,形成超声波振动。
图1-3双压电晶片示意图
超声波传感器采用双晶振子,即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起,在长度方向上,一片伸长另一片就缩短。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极,其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端,下面用引线直接接到另一个电极端。
双晶振子为正方形,正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。
这两处的支点就成为振子振动的节点。
金属板的中心有圆锥形振子,发送超声波时,圆锥形振子有较强的方向性,因而能高效率地发送超声波;接收超声波时,超声波的振动集中于振子的中心,所以能产生高效率的高频电压。
第2章超声波测距设计方案研究
2.1超声波测距的设计思路
发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播,在到达被测物体时被反射返回,由接收器接收,其往返时间为t,由s=vt/2即可算出被测物体的距离。
由于超声波也是一种声波,其声速v与温度有关,下表列出了几种不同温度下的声速。
在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
表1-1超声波波速与温度的关系图
温度(℃)
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
2.2超声波系统结构的设计
2.2.1本系统选择了比较适合的传感器,即由一支发射探头UCM-T40KI和一支接收探头UCM-R40KI的收发分体式传感器。
本节在此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析。
系统计划在实验室内实现小范围测距,测试距离约为0.2m—3m米,系统整体结构如图所示。
图2-1系统设计方案图
发射电路采用单片机
端口编程输出40kHz左右的方波脉冲信号,同时开启内部计数器TO。
由于单片机端口输出功率很弱,为使测量距离满足要求,驱动超声传感器UCM-40T发射超声波距离足够远,故在此电路上加功率放大电路。
从接收传感器探头UCM-40T传来的超声回波很微弱(几十个mV级),又存在着较强的噪声,所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。
本系统设计此部分电路时采用一级放大和带通滤波电路,中心频率4OKHz左右,放大滤波电路均采用了高速精密运算放大器TL082,输出信号大约在5V左右。
由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号,而单片机所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲信号,故信号在放大电路后通过LM393构成的比较电路,将正弦信号转换成方波信号,用方波的负跳变作单片机的中断输入,使得单片机知道已接收到超声信号,内部计数器停止计时。
显示电路采用动态扫描显示,主要是处于节省硬件的考虑。
通过单片机编程将内部计数得到的时间数据转换为距离信息,通过3位LED数码管显示,数据XXX,单位cm。
语音播报部分就是将所测得的距离实时地,以模拟真人发音的形式报出来,例如“现在距离目标物还有XXXcm”或“现在所测得距离为XXXcm”。
这样可以在视觉有限或不宜用眼观察的情况下发挥更大的用处,或近距离配合视觉系统会此测距仪的优点或方便之处得到最大程度的发挥,使用起来非常的灵活方便。
本系统采用一种长时间非易失性语音芯片ISD2560,它采用模拟存储技术,音质好,录放音方便,且可以方便地进行任意语音元素的组合。
2.2.2本系统硬件部分由AT89C51控制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和LCD显示电路组成。
汽车行进时LCD显示环境温度,当倒车时,发射和接收电路工作,经过AT89C51数据处理将距离也显示到LCD上,如果距离小于设定值时,报警电路会鸣叫,提醒司机注意车距。
超声波测距器的系统框图如下图所示:
由单片机AT89C51编程产生10us以上的高电平,由指定引脚输出,就可以在指定接收口等待高电平输出。
一旦有高电平输出,即在模块中经过放大电路,驱动超声波发射探头发射超声波。
发射出去的超声波经障碍物反射回来后,由超声波接收头接收到信号,通过接收电路的处理,指定接收口即变为低电平,读取单片机中定时器的值。
单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。
图2-2系统设计总框图
第3章
超声波测距硬件电路设计
3.1发射电路设计
超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。
40kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:
采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出,本系统采用后者。
编程由单片机P1.0端口输出40kHz左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率不够,40kHz方波脉冲信号分成两路,送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远,满足测量距离要求,最后送给超声波发射换能器TCT40-16T以声波形式发射到空气中。
发射部分的电路,如图2所示。
图中输出端上拉电阻R31,R32,一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换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。
3.1.1发射电路设计方案
一、发射电路输出波形分析
1.发射波形的重复性
为获得高分辨力,发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性;此外,所发射的超声波应尽量单纯,即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动,以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。
为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。
由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波,其“波形”应与晶片振动规律相同。
发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性。
通常发射电路按发射方式分为:
单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。
测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射,每测距一次,发送、接收一次。
间断地激发换能器晶片振动。
此方法测试距离太近;本系统采用间断多脉冲发射,系统自动识别被测距离远近,设置发射脉冲个数。
2.发射波形电压及功率
传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度,综合各种损耗的因素,包括往返传播损失,声波传输损失,声波反射损失,环境噪声损失;另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为20Vp-p,以及单片机正常工作输出最大电压5V,传感器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近,所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率,才能使得发射电路更合理。
3.1.2发射电路常用方案
由上面的分析,我们知道发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的电压及其功率。
本系统用单片机P1.0发射一组方波脉冲信号,其输出波形稳定可靠,但输出电流和输出功率很低,不能够推动发射传感器发出足够强度的超声信号,所以在此间加入一个单电源乙类互补对称功率放大电路。
3.1.3超声波发射器的注意事项
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射超声波的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物反射后立即返回来,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约为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离(s),即为:
s=340t/2,这就是所谓的时间差测距法。
存在4个因素限制了该系统的最大可测距离:
超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
测距误差主要来源于以下几个方面:
(1)超声波波束对探测目标的入射角
的影响;
(2)超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系,所以实际测量时,不一定是第一个回波的过零点触发;
(3)超声波传播速度对测距的影响。
稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件,波的传播速度取决于传播媒质的特性。
传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响,因此需对声速加以修正。
(4)由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算,因而不可避免地存在发射和反射之间的夹角,其大小为2
,当
很小的时候,可直接按式
进行距离的计算;当夹角很大的时候,必须进行距离的修正,修正的公式为:
实际的调试过程中,要十分注意发射和接收探头在电路板上的安装位置,这是因为每一种超声波发射、接收头都有一个有效测量夹角,这里用到的发射、接收头有效测量夹角为45°。
接收换能器对超声波脉冲的直接接收能力将决定该系统最小的可测距离。
为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差,可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。
3.2接收电路的设计
接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后,因谐振而形成逐步加强的机械振动。
因压电效应晶片两面出现交变的等量异号电荷,电荷量很少,只能提供微小交变的电压信号,而不能提供电流信号。
所以需要一个前置放大电路将这一微小交变电压信号充分放大,同时考虑可能出现干扰信号,放大有用信号的同时加入滤波电路,驱动后面的比较器输出电位跳变,作为确定接收到的时刻。
前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大,并抑制其它的噪声和干扰,从而达到最大信噪比,以利于后续电路的设计。
图3-2前置放大电路图
电路如图3-2所示,考虑到超声换能器的输出电阻比较大(一般数百兆欧姆以上),因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗(InputImpedance));同时,换能器的输出电压很小(数十毫伏),这就要求前置放大电路有很高的精度、很小的输入偏置电压(InputOffsetVoltage)。
前置放大电路是由一个高精度、高输入阻抗放大器TL082及电阻R
、
和R
构成,组成反向比例放大电路,这样可以减小地线噪声的影响。
由电路的基本知识,可列出:
根据放大器理想化的两个重要概念:
1.集成运放两个输入端之间的净输入电压U通常接近于零,即U=U
-U
O,若把它理想化,则有U=0,但不是短路,故常称为虚短。
2.集成运放两输入端几乎不取用电流,即净输入电流I
0,如把它理想化,则有
,但不是断开,故常称为虚断。
故可知本电路中:
U
,且I
所以有
上式表明,输出电压与输入电压成比例运算关系,式中的负号表示
与
反相。
电路的电压放大倍数为:
利用反相比例放大器可实现对交直流输入信号的放大,且电路结构简单,只需要调节
和
阻值即可实现调节电压放大倍数。
图中运放的同相输入端接有电阻
,参数选择时应使两输入端外接直流通路等效电阻平衡,即
,静态时使输入级偏置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器的两个输入端的外接电阻上产生相等的压降,以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响,故
又称为平衡电阻。
根据本设计系统需要,接收传感器输出电压很小(数十毫伏),故分别取
;
;
,即放大电路将输入信号放大200倍。
3.3显示电路设计
显示器是一个典型的输出设备,而且其应用是极为广泛的,几乎所有的电子产品都要使用显示器,其差别仅在于显示器的结构类型不同而己。
最简单的显示器可以使LED发光二极管,给出一个简单的开关量信息,而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD于显示的距离范围在4米之内,选用3位LED示,表示距离的XXXcm数值。
液晶屏。
综合课题的实际要求由数码管,通过单片机编程实现显示,表示距离的XXXcm数值。
LED数码管显示与单片机接口通常涉及以下几个问题:
1.LED数码管显示用共阴极管还是共阳极管
2.由数码转换为笔划信息借软件译码还是硬件译码
3.显示扫描采用动态扫描还是静态扫描
问题1采用共阴极数码管还是共阳极数码管没有太明显的优缺点。
如图3-3(a)所示数码管,每个数码管内部,由8个发光二极管组成,其中七个组成8字形的七段笔划,分别编号为a、b、c、d、e、f、g,还有一个为小数点,标为DP。
当发光二极管导通时,相应的一段笔划或点就发亮,控制不同二极管导通就能显示出不同符号。
发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极数码管,如图3-3(b)所示;发光二极管的阳极连在一起的称为共阳,如图3-3(c)所示。
两种数码管仅在单片机编程时数码对应的笔划信息码不同。
图3-3数码管结构图
问题2软件译码是将各数码的笔划信息构成一个表格预储于内存,以后根据要显示的每一数码执行一段查表程序,查得相应笔划信息再送数码管显示;硬件译码则采用CD4511、74LS46、74LS47、74LS48、74LS49等BCD码七段锁存、译码、驱动芯片直接译出笔划信息。
问题3动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。
其接口电路是把所有显示器的8个笔划段a—h同名端连在一起,而每一个显示器的公共极COM是各自独立地受I/O线控制。
CPU向字段输出口送出字形码时,所有显示器接收到相同的字形码,但究竟是那个显示器亮,则取决于COM端,而这一端是由I/O控制的,所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。
而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法,轮流控制各个显示器的COM端,使各个显示器轮流点亮。
在轮流点亮扫描过程中,每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约1ms),但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位显示器并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感。
采用静态扫描方式控制点亮LED数码管无位选信号,各数码管是同时点亮的;每数码管应显示数码的笔划信息也分路同时送给。
其原理比较简单。
静态扫描显示编程容易,显示比较清晰,亮度一般较高;但要求占用很多I/O接口线和增用不少硬件芯片,成本较高。
因此,动态扫描用得更多。
针对以上3个问题,实际考虑节约单片机的接口资源以及减少硬件芯片成本投入,本单元电路设计如图3-4所示,采用3位共阴极数码显示管,显示字符由单片机P2口送至锁存器74HC574锁存,再经显示驱动芯片ULN2O03驱动数码管显示,P0.1-P0.3分别控制每一位的动态显示。
图3-4显示部分电路图
74HC574为三态输出D型上升沿触发器,图3-6为其引脚图,在输入使能端
有效时,当时钟脉冲CK有上升沿跳变,触发
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- 毕业设计 超声波 测距 系统