超声波测距模块的设计

西南科技大学本科生毕业论文IQ260046902 专业做论文西南科技大学毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目名称：超声波测距模块的设计题目名称：超声波测距模块的设计年年 级：级： 2003 级级 本科本科 专科专科学生学号：学生学号： 20035110学生姓名：方敏学生姓名：方敏 指导教师：张华指导教师：张华 邱波邱波 吴键吴键 学生单位：学生单位： 信息工程学院信息工程学院 技术职称：副教授技术职称：副教授 学生专业：学生专业： 生物医学工程生物医学工程 教师单位：信息工程学院教师单位：信息工程学院 西西 南南 科科 技技 大大 学学 教教 务务 处处 制制西南科技大学本科生毕业论文I超声波测距模块的设计摘要：超声波测距应用十分广泛。论文在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。本文设计了一套超声波检测系统，该系统是一种基于 AT89C51 单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传播的反射原理, 以超声波传感器为接口部件, 应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。设计利用 51 单片机系统的 I/O 口，使超声波传感器发出 40KHz 的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入单片机，比较调试后确定其对应的距离，完成测距。可实现 3 米内测距，盲区 7 厘米，具有 LCD 显示功能。关键词：超声波；超声波传感器；AT89C51 单片机；LCD 显示单元；测距仪西南科技大学本科生毕业论文IIDesign of Ultrasonic Distance measurementAbstract: The ultrasonic ranging application is extremely widespread. After the feasibility and reliability has been analysised, the structure design technique was established. This article introduces an ultrasonic distance measurement based on the AT89C51 single-chip computer, the system according to ultrasound in the air reflection principles of the dissemination. And it uses the ultrasound sensor as interface components for the application of the distance measure based by single-chip computer technology and the margin of time that ultrasound transmit in air, thereby the systems of design of ultrasonic test comes into being. The system primarily composed by the four modules : the controller module,ultrasonic launch module, ultrasound receiving module and display modular. The I/O ports of the 51 single-chip computer were used to cause the ultrasonic transducer to send out the 40kHz ultrasonic wave. The reflected signal enter the 51 after the enlargement and feedback circuit, and the system will complete the range finder by debugging the corresponding distance. This design can realize 3 meters in range finders, with the 7 centimeters blind spot, The system have the LCD demonstration.Keywords: ultrasonic, ultrasonic sensor, AT89C51 single-chip computer, LCD display unit, range finder西南科技大学本科生毕业论文III目 录第 1 章 绪 论.11.1 课题背景.11.2 论文研究内容.31.2.1 研究内容.31.2.2 各章节主要内容.4第 2 章 系统的总体方案设计.52.1 超声测距理论基础.52.1.1 超声波介绍.52.1.2 超声波传感器.52.1.3 传感器的指向角 .72.1.4 测量盲区.82.2 超声波测距原理.92.3 超声测距系统组成.102.3.1 系统的收发过程.102.4 方案比较.112.4.1 超声波频率及探头的选用.112.4.2 发射模块.112.4.3 接收模块.112.4.4 温度补偿.122.4.5 显示模块.132.4.6 电源模块.142.4.7 通信接口选择.142.5 系统的总体构想.152.6 本章小结.15第 3 章 系统硬件设计.173.1 系统工作的过程.173.2 主控制电路.173.2.1 AT89C51 单片机.18西南科技大学本科生毕业论文IV3.2.2 时钟振荡器.183.2.3 复位电路.193.3 串行通信接口.193.3.1 RS-232 电气特性.203.3.2 RS-232 连接器机械特性.203.3.3 数据发送电路.213.4 发射电路设计.213.4.1 555 振荡器.233.4.2 共射极放大电路.243.5 接收电路设计.263.5.1 CX20106 工作原理分析.263.6 电源电路设计.273.7 LCD 显示电路.273.7.1 LCD 接口协议.283.8 温度测量.283.9 本章小结.29第 4 章 系统程序设计.304.1 软件功能模块的划分.304.2 主程序的分析设计.304.3 外部中断程序.314.4 T0 中断子程序.324.5 温度校正.334.6 本章小结.33第 5 章 调试过程.345.1 调试环境.345.1.1 LCD 程序调试过程.345.1.2 发送 40kHZ 脉冲信号子程序调试.345.1.3 温度传感器的调试.345.2 实验结果.355.3 本章小结.35西南科技大学本科生毕业论文V总 结.36致 谢.37参考文献.38附录 1 超声测距源程序.39附录 2 超声测距原理图.50附录 3 硬件实物图.51西南科技大学本科生毕业论文1第 1 章 绪 论高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观、宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现、评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机、空间飞行器、发电厂、船舶、汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。 ”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。超声技术就是一项典型的无损检测技术。利用超声波测量已知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距。可想而知，它的应用，必将在未来展现出夺目的光辉。1.1 课题背景 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是生物体发射不被人们听到的超声波(20kHZ以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物或障碍物位置的方法，根据这一原理，人们提出了超声波测距，它是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特西南科技大学本科生毕业论文2定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。我国超声波检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约 20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因超声波检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。1976 年，国家建委科技公司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土超声波检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，超声波检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于超声波检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重 10kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5kg 重的 PUNDIT 便携式超声仪。1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用 TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用超声波检测技术奠定了良好的基础。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的西南科技大学本科生毕业论文3测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。随着电子技术的发展，出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前 2 种方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉,适于民用推广。超声测距在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。例如。随着汽车智能化的发展，中国城市汽车的保有量迅速增加。随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向，这里就可以用到超声测距判断汽车前方障碍物的情况，及时向司机传达信息。还有在水中探测，军事，医疗中的超声诊断和治疗等方面有重要作用，而且测量精度在不断的提高，另外在移动机器人研制也广泛应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。目前这个领域发展迅速，不断提出新课题，具有广阔的发展前景。1.2 论文研究内容 1.2.1 研究内容本设计要求我们先要掌握充足的理论知识，着重理论联系实际，培养理论分析的能力，检索资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力、分析排除故障的能力。通过该课题的设计，让自己学习到超声测距的相关知识，包括对超声波，传感器学习，超声波传感器的应用，了解了超声波与其他学科的关系，扩大了知识面，培养了自己分析问题，解决问题，实际动手的能力。本设计从 51 单片机、超声波传感器的原理和特性出发，对超声波测距技术中的控制、信息采集技术进行了西南科技大学本科生毕业论文4较为详尽的分析，参照工程设计的基本方法，分析系统可行性、可靠性后，确立结构化设计的基本思路。从各功能模块一一设计。该仪器是由+5V 稳压电源提供驱动，利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，以超声波探头为接口部件，应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间（超声波的速度为声速）并处理成相应的距离，然后再通过 LCD 显示距离。1.2.2 各章节主要内容论文第一章阐述了本课题的研究背景。第二章确立了系统的总体方案和系统各模块的方案选择比较，以及方案实施。第三章是对系统硬件的设计。采用 51 单片机作为控制单元，设计超声波收发电路，系统电源，显示单元，温度补偿单元等。第四章介绍了系统软件的设计，利用结构化设计思想，画出了各部分的程序流程图。第五章分析了本系统的调试过程。西南科技大学本科生毕业论文5第 2 章 系统的总体方案设计本课题要设计制作是一个数显超声波测距仪。对象是测距仪与被测物之间的距离，要求检测时间小于 0.5s 情况下测量范围在 0.073.00 m，测量精度为 5cm，并且测量时测距仪不能与被测物体直接接触，以及用 LCD 显示结果等要求。这一章主要介绍了超声波测距原理，系统方案的选择比较与实施，为后一章节的系统硬件设计提供依据。2.1 超声测距理论基础2.1.1 超声波介绍与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道，电磁波的传播速度为3ms，常温下，超声波在空气中的传播速度810大约为340 ms，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(大气条件)传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的。 A = A(X)cos(t+ kx) (2-1) A(X) = (2-2)0 xA e式中，A(X)为振幅，为常数,为圆频率，t为时间，X为传播距离，k=为波0A2 / 数，为波长，为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为 =a (2-3)2f式中，a为介质常数，f为振动频率。在空气里，a=2/cm，当振动的声波13210s频率f=40kHz(超声波)代入式(2-3)可得:=32，即1=31m；若f=30 4110 cmkHz，则1=56m。它的物理意义是：声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。在(1)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f=40kHz的超声波5。2.1.2 超声波传感器传感器行业是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类繁多。超声传感器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西南科技大学本科生毕业论文6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，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。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。当压电晶片受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交流电压，它就会产生同频率的机械振动，0f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 2-1 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。双压西南科技大学本科生毕业论文7电晶片的等效电路如图 2-2 所示，C 为静电电容，R 为陶瓷材料介电损耗并联电阻，Cm 和 Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要0f与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器12。图图 2-1 双压电晶片示意图双压电晶片示意图图图 2-2 双压电晶片等效图双压电晶片等效图超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超 声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。2.1.3 传感器的指向角 传感器的指向角是声束半功率角的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测距的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长，传感器半径r有关。见公式（2-4）sin=1.615 （2-4）)2()2(选f =40kHz时，=8.5mm。当f 选定后，指向角近似于传感器半径成00fC0西南科技大学本科生毕业论文8反比。指向角愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低本次设计成本，在不降低空间分辨率的情况下，选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故=75 。)2615. 1arcsin(2ro2.1.4 测量盲区在传感器以脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪器阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离成为盲区，其具体分析如下：当发射超声波时，发射信号虽然只维持一段极短时间，但是停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平V；另外，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使M在离探头较近的表面发射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测过程中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定阈值，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能MV使接收放大器由输入信号9。减小盲区的方法有以下几种措施：1、压缩发射脉冲宽度发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震(拖尾)减少，此法常用于短距离测量距离。2、采用自动距离增益控制采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。另一方面，可使远处的回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。西南科技大学本科生毕业论文93、信噪比问题超声波测距仪都有确定的量程。量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阈值。这个阈值决定信噪比。噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪器一样，另一类为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，工作频率较高，可以避开工业噪声频谱段。而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。2.2 超声波测距原理 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离是声波传输距离的一半。 L=1/2VT （2-5）式中，L为待测距离，V为超声波的声速，T为渡越时间。由下式计算测量误差为 (2-6)LTVVT式中，为测距误差，V为声速，为时间测量误差，为声速误差。若要求测LTV距误差小于00lm，已知声速V =344ms(C时)，忽略声速误差，那么测量时间的020误差为 (2-7)/0.01/3440.00003TLVS显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。这里利用单片机计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需的准确度。也就是对渡越时间的计算。超声波测距原理图如图2-3所示。 发射换能器 a 障碍物 L西南科技大学本科生毕业论文10障碍物超声换能器超声换能器接收电路发射电路主控制器显示单元温度测试RS232 电平转换pc 机 S接收换能器 图图 2-3 超声测距原理图超声测距原理图 从图 2-3 中可以看出，由于本设计采用收发分体换能器，发射换能器和接收换能器存在一定夹角。我们实际得出的距离是 S，本设计近似 S=L，所以我们可以用上面的公式计算出 L，测出距离7。2.3 超声测距系统组成超声波测距仪整个系统由单片机来控制，启动测量时，由单片机发出一个控制信号去触发发射电路，使发射电路起振，驱动超声波发射器发射出一串超声波脉冲(大约十几个脉冲)，同时启动单片机的计时器，开始计时，也就是开始测量渡越时间。当这些脉冲到达被测目标时，发生反射，经空气传播被超声波接收器接收，再由放大电路进行放大。接收到的第一个脉冲去触发单片机的计数器，使计数停止。此时，计数器中的值，根据这个值就可以算出时间。超声波测距系统原理框图如图2-4所示。图图 2-4 超声波测距原理框图超声波测距原理框图2.3.1 系统的收发过程超声波收发的一般过程是：发生器产生振荡波，通过换能器，电能的振荡波转电源西南科技大学本科生毕业论文11变成机械能的超声波，遇到障碍物后，一部分超声波反射回来，换能器又将超声波信号转换为电能信号，收发完成。超声换能器是超声测试系统中产生并接收超声的部件,其驱动电路和回波检测电路的性能对整个测试系统有着至关重要的作用。在分析系统收发过程的同时，要注意分析系统各种误差的影响。保证系统有比较高的测量精度和可靠性。2.4 方案比较2.4.1 超声波频率及探头的选用由分析得出，超声波在空气中，频率越高，功率越大，精度越高，但在空气中衰减越快；相反，频率越低，功率越小，空气中衰减越慢，但误差大。综合考虑75kHz、40 kHz、25 kHz ,取40 kHz可以较好地解决这个矛盾。为了便于超声波的发送和接收，本文采用共振频率为40kHz的超声波探头，其发射探头选用TCT40-10F1，其对应的接收探头选用TCT40-10S1。为了降低调试的复杂性、高系统安装的灵活性，超声波发射与接收采用分离设计，即单独采用发射器和接收器而不是发射接收一体化器件3。 表2-1 型号命名法 TC T 40 10 F 1 (1)(2) (3) (4) (5) (6)(1)压力陶瓷超声传感器：TC(2)类型：T-通用型 F-防水型 U-耐温型 K-宽带型(3)中心频率：(kHz)(4)外径：(mm)(5)使用方法：F-发射 S-接收(6)产品顺序号：1、2、3、2.4.2 发射模块方案一：利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生 40kHz 的超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。方案二：利用软件产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流为 100mA 以上的驱动电路。西南科技大学本科生毕业论文12本系统采用方案二，使用软件编程的方法产生 40kHz 的超声波信号。2.4.3 接收模块超声波接收器包括超声波接收探头。信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波接受探头必须采用与发射探头对应的型号(主要是频率要求一致，否则会因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收)。由于经接受探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦信号不能直接被处理器接收，因此最后必须进行波形变换。常用的波形变换的方法有三种： 方案一：采用集成锁相环 NE567 对放大后的信号进行频率监视和控制。一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由 RC 值决定），则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。这种方法的特点是电路简单，但锁相环接收的频带较窄，不易锁相。方案二：采用红外线检波接收的专用集成芯片 CX20106A，它常用于电视机红外遥控接收器，由于红外遥控常用的 38kHz 载波与测距用的 40kHz 超声波接近，当它没有接收到信号时输出为高电平，当它接收相近频率的信号时输出为低电平。因此它可以用来作为超声波检测接收电路。这种方法的特点是不仅灵敏度很高，抗干扰能力很强，而且还不需要放大电路，可使系统电路更为简洁。方案三：采用集成运放芯片（LM324）作为比较器对放大后的信号进行波形变换。当输入信号的电压大于基准电压时，输出为“1”；当输入信号的电压小于基准电压时，输出为“0”；这样就取到对输入信号进行变换的目的。这种方法的特点是电路简单（主要是与放大电路共用一块芯片），但选择比较电压非常关键。本系统采用方案二，这种方法比其它方案电路简单，实现很方便。2.4.4 温度补偿超声波测量距离的原理可用式（2-5）表示。 L=1/2VT （2-8）式中 V 为超声波在空气中的传播速度，0时为 331m/s, 25时为 347m/s其与环境温度 T的关系如式（29）。 （2-9） 331.40.61VT西南科技大学本科生毕业论文13 由此可见，声速与温度有着密切关系，在应用中如果温度变化不大并且无特殊要求，可认为声速基本不变的，否则必须进行温度补偿。在硬件上，温度补偿主要采用测温电路来实现。它一般是由 DS18B20 测温专用芯片来测定。得到的数据送到串行口，单片机就会根据温度变化将声速作相应得处理；在软件上，温度补偿常有方法有以下两种：方案一：每次先按照式（29）计算当时的声速 V，然后再按式（28）计算距离。这种方法系统实现难度相对较大。方案二：根据当时的环境温度，查取特征温度值（声速表中最接近温度对应的声速值）作为当前声速，然后按照式（28）进行距离计算。其特点是可采用事先得到温度声速二维表(如图 2-5)，将之固化到系统程序中，然后直接使用查表法得到声速值，这样程序实现比较简单，但精度没有方案一高。 另外，由于发射与反射之间存在一定的夹角 2a，如图 2-5，当 a 很小时，可直接按式（28）计算距离；当很 a 大时，则必须进行距离修正，其修正公式为（2-10） 。 L=cos(a)VT/2 （2-10） 在式（210）中，倾角 a 与超声波发射装置和接收装置的安装位置有关，在实际应用中应注意适当安装。考虑到对测量精度，所以本系统采用温度补偿的办法,不考虑距离修正。 图图 2-5 温度声速二维表温度声速二维表 2.4.5 显示模块方案一: 采用 LED 数码管显示.其优点在于它能在低电压,小电流的条件下发光,能与 CMOS,TTL 电路兼容；发光响应时间短( 0.1 秒),高频特性好,单色性好,亮度高，T（）0CV（m/s）西南科技大学本科生毕业论文14体积小,抗冲击性能强等。以上优势使得 LED 广泛运用于数字仪器、数控装置、计算机等显示部件中。方案二: 采用 LCD 液晶显示。LCD 的工作电流比 LED 小几个数量级，故功耗很低；尺寸小，厚度约为 LED 的 1/3;字迹清晰、美观、使用方便；编程简单，信息量大,但价格较贵。在本设计中,考虑到要显示距离和温度，采用 LCD 显示。2.4.6 电源模块方案一: 采用电池(1.5V3)。这样供电很简单,而且组成系统时,占用的空间小;但供电的功率较低,内阻较大。运行单片机系统的时候，因为其要求的电流较大，可能会造成单片机程序跑飞，复位等异常现象，严重时会造成系统死机。 方案二: 采用主要由三端稳压片 78L05 构成的电源。提供+5V 电压。这种电源与前者相比较为复杂,但是其带负载能力明显强于前者,在单片机系统中得到了广泛的应用。本系统直接采用三端稳压片 78L05 构成的电源。2.4.7 通信接口选择为了将采集数据传递到上位机或是将数据传递给其他设备，需要选择通信接口，例如串行口、并行口、USB 等。并口占用的 I/O 资源较多，目前现在已经不常用。USB 是目前比较常见的通讯协议，但是比较复杂，而且单片机一般没有包含 USB接口，需要外加芯片，所以成本较高，且调试难度大。另外短距离的通信，可以采用 SPI、I2C 等，但是调试一般难度比较大，而且不是所有的单片机都拥有硬件的SPI 和 I2C，而一般的单片机的硬件资源里都有 UART 接口，而 UART 的调试是比较方便的，难度也相对较小。由于本采集模块通信数据量不大，通信速率要求不高，再综合考虑开发周期和开发难度，还有不需要外加额外太多的器件，故采用 RS232串行接口传输数据。RS-232 是 EIA 40 年前为公用电话网络数据通信而制定的标准，由于 RS232 的发送和接收是“对地”而言的，采用非平衡模式传输，存在共地噪声，所以其最大传输距离和速率在标准中被限定为 15 米和 19200bit/s。RS232 有如下优点：1、在微控制器中，接口芯片使得一个 5V 串口转化为 RS232 变得非常容易。西南科技大学本科生毕业论文15障碍物TCT40-10S1TCT40-10F1CX20106A555 振荡器AT89C51LCDDS18B20RS232 电平转换pc 机2、连接距离可达 50-100 英尺，而 USB 连接最长可达 16 英尺。3、对于双向连接，只需要 3 条导线，而并行连接一般需要 8 条数据线，两条或者更多的控制信号线和接地线，这使得成本变高。本系统的与 PC 通信采用 RS-232 标准串口通信。2.5 系统的总体构想经过上一节的比较分析，经综合考虑，选择合适的方案及器件，最终确立了系统的总体方案，其原理如图 2-6 所示。由控制芯片 AT89C51 产生控制信号，使 555振荡产生超声波，超声波通过发射换能器发射出去，遇到障碍物返回，经过接收换能器，接收电路，接收到超声波信号，送入单片机分析。系统还使用 DS18B20 温度传感器对环境温度进行测试，把当前温度值测出并送入单片机，提高了测量的准确性。图图 2-6 系统总体原理框图系统总体原理框图2.6 本章小结 本章根据超声波测距原理和算法，分析了系统的实现、方案的比较，经过各种对比考虑，确立了系统的方案选择，并且确立了系统的原理图。为后续的硬件设计做好了准备。电源西南科技大学本科生毕业论文16西南科技大学本科生毕业论文17第 3 章 系统硬件设计在非接触测量领域中，随着传感器技术水平的不断提高，利用超声波传感器测量距离的技术也日趋成熟，基于单片机的超声波测距仪以其强抗干扰能力、高精度、低功耗、体积小等优点在工业控制、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，本章论述了以 51 单片机为控制核心的超声波测距模块的具体电路设计。 3.1 系统工作的过程本文设计的超声波测距仪是一款非接触的测量仪器。它的工作原理是: 采用 555时基振荡电路产生 40kHz 的超声波信号，超声波传感器的工作状态由三极管工作情况决定。当单片机给三极管一个高电平使其导通后，由 555 产生的超声波就可以通过发射探头可将其发射出去；此后经过一段时间，超声波遇到障碍物将发生反射，反射后将被接收探头接收，由于探头接收的信号很微弱，所以信号还要经过放大电路进行放大（采用专用集成检波接收电路则不需要放大电路），最后再通过波形变换电路将信号转换成单片机能接收的信号。单片机接收信号后关闭计时器、禁止555 工作、处理有关信息，最后通过显示电路显示测量到的距离。显示一段时间后将进入下一次的测量。在整个测量过程中由于电源电路提供能量才使得各模块电路在单片机的控制下成功有序地完成一次距离测量。可见电源电路也是该系统不可缺少的一部分。3.2 主控制电路主控制器主要由单片机AT89C51、振荡器和复位电路三部分组成。设计原理图如3-1所示，由于它是单片机工作的必要组成部分，所以又称为单片机最小系统。它是测距仪的控制中枢，也是整个系统的核心部分。它之所以这样重要是因为它在测距仪中发挥了四个作用：1、控制超声波的发射；2、负责处理接收电路发出的信号； 3、时间转化成距离的数据处理；4、协调端口实现动态显示。由上可知，它的正常工作是保证测距仪成功测距的先决条件，单片机最小系统西南科技大学本科生毕业论文18的设计虽简单但很关键。下面就其作一些简单的介绍。图图3-1 单片机最小系统原理图单片机最小系统原理图3.2.1 AT89C51 单片机单片机，又称微处理器，是许多自动控制系统中的核心部件。考虑到显示电路需要占用比较多的 I/O 口和需要处理较复杂的数学计算对单片机的运行速度的有较高的要求，本系统选用了 AT89C51 单片机作为主控器件8。AT89C51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.2.2 时钟振荡器单片机外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C1、C2 接在放大器（AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益的反相放大器）的反馈回路中构成并联振荡电路。西南科技大学本科生毕业论文19为便于 CPU 处理数据，让计时器每计一次数就是 1us，振荡器采用了 12MHz的石英晶体。对外接电容 C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，这里电容使用 30pF10pF。本系统选用外部晶体作为时钟频率，晶体振荡器XTAL1与XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出。晶体振荡器连接如下 图图3-2 晶体振荡器连接晶体振荡器连接3.2.3 复位电路本复位电路采用手动复位，在Vcc和RST端接一容量为22uF左右的电解电容，其两端并接一个轻触按钮（为限制按钮按下时电容瞬间释放的电流，避免产生火花，在按钮一侧串联一个电阻），利用RST内部复位下拉电阻便构成复位电路。其电路如图3-1所示。手动的好处在于能避免死机时关机复位。其复位过程为：接通电源瞬间，电容上的电压很小，RST端上的电压接近电源电压，在电容充电过程中，RST端电位逐渐下降，当RST端电位小于某一数值后，CPU脱离复位状态；当按钮按下时，电容通过R1放电，当电容放完电后，RST端的电位由R1、R2分压比决定。由于R2 R1，因此RST为高电平，CPU进入复位状态，松手后，电容C3开始充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。3.3 串行通信接口本系统的与 PC 通信采用 RS-232 标准串口通信。RS-232 是 EIA 40 年前为公用电话网络数据通信而制定的标准，由于 RS232 的发送和接收是“对地”而言的，采用非平衡模式传输，存在共地噪声，所以其最大传输距离和速率在标准中被限定为 15 米和 19200bit/s。西南科技大学本科生毕业论文203.3.1 RS-232 电气特性RS-232 对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都做了规定。在 TXD 和 RXD 上：1、逻辑 1（MARK）=-3V15V。2、逻辑 0（SPACE）=+3V+15V。在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制线上：1、信号有效（接通，ON 状态，正电压）=+3V+15V。2、信号无效（断开，OFF 状态，负电压）=-3V-15V。以上规定说明了 RS-232 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号：接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，低于+15V，断开状态（OFF）即信号无效的电平高于-15V 低于-3V，也就是说当传输电平的绝对值大于 3V 时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V 之间和低于-15V 或高于+15V 的电压无意义，因此，在实际工作时，应保证电平在（35）V 范围之间。RS-232 电平与 TTL 电平的转换：前者用正负电压来表示逻辑状态，与后者以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此为了同计算机接口或终端的 TTL 器件相连，必须在两者之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前教为广泛地使用集成电路转换元件，MAX232 芯片可完成两者之间的转换10。3.3.2 RS-232 连接器机械特性 由于 RS-232 并未定义连接器的物理特性，因此，出现 DB-25、DB-15 和 DB-9各种类型的连接器，其引脚的定义也各不相同。下面介绍本系统用到的 DB-9 连接器。DB-9 连接器可作为提供多功能 I/O 卡或主板 COM1 和 COM2 两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的 9 个信号。在通信速率低于 20Kbit/s 时，RS232 标准规定 DB-9 连接器直接相连电缆长度的最大物理距离为 15 米。表 3-1 显示了 DB-9 各引脚的具体功能。其中 2、3 和 5 是最常用的三个脚。RS-232 串口通信基本接线方法：距离较近时（ 2/3 VCC 1/3 VCC低导通 1 1/3 VCC不变不变 1 2/3 VC 2/3 VCC 1/3 VCC高截止由式（4-1） 、 （42）可得输出脉冲得频率为 （3-3）为达到频率为 40 kHz 的超声波，经计算，C7 取 4700pF ，R9 取 510。 R10取 4k，为了调节信号频率，R10 可改为 5k的可调电阻。为保证 555 时基具有足够的驱动能力，此处采用+5V 电源。3.4.2 共射极放大电路为了提高测量精度使单片机的计时精度更好，在 555 振荡器后面外加一个共射极放大电路，其目的不是为了放大，而是用它作受控开关使用，主要是因为 555 振荡器周期性振荡之前有一个起振时间，为了防止出现单片机已经开始计时了，而超声波信号还没有发出去所带来的计时误差这种情况的产生。 其工作过程是：当三极管的发射极接收到单片机给的低电平时，不管发射极有没有超声波输入，由于三极管都不导通，所以超声波探头两端一直没有压差而无法工作；当单片机给了三极管基极低电平时，三极管的能否工作，主要取决于三极管的发射极有没有信号输入，当有40kHz的方波信号输入时，三极管根据信号高低电平决定导通与否，探头两端有了同频率的压差变化，这样超声波探头将发生共振，完成发送超声波的任务。图3-7显示的是实验中通过示波器所观察到的单片机P1.0口输出的电平，实际产生7个方波脉冲，周期为25us。图3-8中波形经放大后加载在发射探头两端的脉冲信号，经Q1后相位与单片机输出相反，电压放大为15V。由于三极管结电容的影响，图中所示放大后的波形发生了畸变，但由于频率未变，所以仍能很好地产生40kHZf1t1t21.43R92R10()C西南科技大学本科生毕业论文25的超声波脉冲。图图 3-7 单片机输出脉冲波形单片机输出脉冲波形 西南科技大学本科生毕业论文26 图图 3-8 放大后的脉冲波形放大后的脉冲波形3.5 接收电路设计超声波接收器主要由超声波接收探头和红外线检波接收集成电路两部分组成。具体电路如图3-9所示。图图 3-9 超声波接收电路超声波接收电路3.5.1 CX20106 工作原理分析 CX20106A 是日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器，采用单列 8 脚直插式，超小型封装，5V 供电。其内部方框图如图 3-10 所示。图图 3-10 CX20106A 内部原理图内部原理图其工作过程为：当超声波接收探头接收到超声波信号时，压迫压电晶片作振动，将机械能转化成电信号，红外线检波接收集成芯片CX20106A接到电信号后，对所接信号进行识别，若频率在38kHz-40kHZ左右，则输出低电平，否则输出高电平。12345678CX 20106AU1CX 20106AR11 100K R12100K R1410R151u F R164.7u F R17470pF R1847000pF INT0U2TCT40-10RVCC西南科技大学本科生毕业论文27其引脚功能与维修数据见表3-3。 表表3-3CX20106A引脚功能引脚功能直流电压（V）对地电阻（K）脚位序号符 号功 能开机待机红笔接地黑笔接地 1IN红外信号输入端1512513242 2C1增益调节端141515198 3C2检波端23125132101 4GND接地端0000 50f带通滤波器调整端1112151102 6C3积分端1012155101 7OUT信号输出端283513692 8CCV电源端505040383.6 电源电路设计超声波测距仪所需能源是由自制的集成直流稳压电源提供。它主要由电源变压器、整流滤波电路和稳压电路所组成。为系统提供+5V电压。图图 3-11超声波测距仪电源系统超声波测距仪电源系统西南科技大学本科生毕业论文283.7 LCD 显示电路经过以上超声波发射、接受、单片机数据处理后，要显示测量结果，本设计采用LCD显示数据。单片机通过相应的IO口实现测量结果的输出显示。显示部分用了一块16 2的字符型LCD模块，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编写来实现的，显示内容丰富，美观，编程灵活方便，和单片机接口也较简单方便。在该系统中它主要用来显示开机画面，测量距离，温度等。3.7.1 LCD 接口协议 系统要求对LCD编程所以必须了解LCD的借口协议，通过查阅，它的主要参数如表3-4。 表表3-4 LCD主要技术参数主要技术参数显示容量162个字符 芯片工作电压45-55V 工作电流20mA(5.0V)模块最佳工作电压5.0V 字符尺寸2.954.35(WH)mmLCD与单片机连接比较简易如下图图图 3-12 单片机与单片机与 LCD 的连接的连接3.8 温度测量测温部分测量系统工作的环境温度，对温度进行测量，测量值送入单片机，用来减少环境温度变化对测量精度的影响。本设计主要用单片机控制温度传感器西南科技大学本科生毕业论文29DS18B20来实现。DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术，可以把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用简单等优点。与其它温度传感器相比，DS18B20 具有以下特性：1、独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可以实现微处理器与 DSB1820 的双向通讯2、在使用中不需要任何外围元件。3、测温范围：-55 C 到+125 C，固有测温分辨率 0. 5 C (最高可达 0.01 C)。.4、转换温度时间小于 1s。5、测量结果以 9 位数字量方式串行传送DS18B20与单片机的接口极其简单，只需将DS18B20的信号线与单片机的一位双向端口相连即可。应注意将三线焊接牢固。如图3-13。 图图 3-13 测温电路的连接测温电路的连接电路原理图见附录2。 3.9 本章小结本章分析例如超声波测距系统的各模块的电路设计，其中包括了电源、发射电路、接收电路、温度测量单元、显示单元等。下一章节进行系统各模块的程序设计。西南科技大学本科生毕业论文30第 4