传感器与检测技术课程设计之超声波传感器课程设计报告.docx

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1、传感器与检测技术课程设计之超声波传感器课程设计报告西 安 广 播 电 视 大 学 课程设计报告 年： 专 业： 机械设计与制造 课 程： 传感器与测试技术 姓 名： 学 号： 成 绩： 摘要 摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远等优点，因而，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是应用最普遍的一种，并且在测量精度方面也能达到自动化的使用要求，它广泛应用于倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收

2、的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12M高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S5

3、1单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51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和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求 关键词 超声波 Ultrasonic 单片机AT89S51 MCU AT89S51 测距Ranging 目 录 摘要1 关键词1 1.引言1 1.1单片机超声波测距系统框图1 2.超声波测距工作原理2 2.1超声波传感器3 2.1.1超声波发生器3 2.1.2压电式超声波发生

4、器原理3 2.1.3单片机超声波测距系统构成3 3.设计方案4 3.1关于AT89S51单片机4 3.2超声波测距单片机系统5 3.3超声波发射和接收电路6 3.4显示电路7 3.5供电电路7 3.6报警输出电路8 4.软件设计8 4.1软件设计方法8 4.1.1主程序设计8 4.2超声波测距程序流程图9 4.3超声波测距程子序流程图10 5.调试与性能分析10 5.1调试步骤10 5.2性能分析11 致谢11 参考文献121 引言 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如

5、温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.1 单片机超声波测距系统框图 图1-1 单片机超声波测距系统框图 基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为4

6、0KHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图1-1所示。 这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。 利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。 2 超声波测距工作原理

7、在超声波探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致 有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，- 1 - 故被测距离为 S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。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。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/

8、秒，由单片机负责计时，单片机使用12M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 采用AT89S51单片机,晶振12M,单片机用P2.7口输出超声波换能器所需的40K方波信号,P 3.5口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的3位共阳LED数码管,段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。 由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关其对应值如表2-1所示 温度() 30 20 10 0 15 20 30 100 声速(m/s) 313 319 325 323 340 344 349

9、 386 表2-1 声速与温度的关系 超声波测距的算法设计: 这里我们统一使用的是超声波在空气中传播速度为340m/s。假设T2是声波返回的时刻，T1是声波发声的时刻，T2-T1得出的是一个时间差的绝对值，假定T2- T1=0.03S，则有3400.03=10.2。由于10.2m是超声波发出到遇到返射物返回的往返距离，因此实际距离为10.2/2=5.1 即实际距离计算公式： 2.1 超声波传感器 2.1.1超声波发生器 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

10、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，这里我们也是选择的压电式。 2.1.2压电式超声波发生器原理 超声波发生器内部结构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时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声- 2 - 波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，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。 2.1.3单片机超声波测距系统构成 单片机AT89S51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系

11、统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。 限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。 开始测量 超声波信号 开定时器 驱动电路 电声换能器 关定时器 数据运算 接收检测 电声换能器 显示器 图2-1 超声波测距过程框图 3 设计方案 按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块共四个模块组成。 单片机主控芯片

12、使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定；发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送；接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。 超声波接收模块 单片机控制系统显示模块 键盘模块 供电单元 - 3 - 图3-1 系统设计框图 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路、报警输出电路、供电电路等几部分。采用AT89S51单片机系统晶振采用12M高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差,单片机用P2.7口输出超声波换能器所需的40K方波信号,P3.5口监测超声波接收电路输出的返回信号,显示电路采用简单的3位共阳LED数码管,

13、,段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。 3.1 关于AT89S51单片机 AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 5

14、l系列单片机中典型芯片采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时计数器TO和T1，4个8 b的工O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图3-2所示。 图3-2 51系列单片机封装图 - 4 - 5l系列单片机提供以下功能：4kB存储器；256BRAM；32条工O线；2个16b定时计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟

15、电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。 3.2 超声波测距单片机系统 超声波测距单片机系统主要由：AT89S51单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。由K1，K2组成测距系统的按键电路。用于设定超声波测距报警值。如图3-3。 图3-3 超声波测距单片机系统 3.3 超声波发射和接收电路 超声波发射如图3-4，接收电路如图3-5。超声

16、波发射电路由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，超声波脉冲变压器，在这里的作用是提高加载到超声波发送头两产端的电压，以提高超声波的发射功率，从而提高测量距离。接收电路由BG1、BG2组成的两组三级管放大电路构成；超声波的检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。 40kHz的方波由AT89S51单片机的P2.7输出，经BG1推动超声波脉冲变压器，在脉冲变压器次级形成60VPP的电压，加载到超声波发送头上，驱动超声波发射头发射超声波。发送出的超声波，遇到障碍物后，产生回波，反射回来的回波由超声波接收头接收到。由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形

17、幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，输入单片机的P3脚。 - 5 - 图3-4 超声波测距发送单元 该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89S51的P2.7发出。方波的周期为1/40ms，即25s，半周期为12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于单片机系统的晶振为12M晶振，因而单片机的时间分辨率是1s，所以只能产生半周期为12s或13s的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。 图3-5 超声波测距接收单元 由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路

18、需要将其进行放大。接收电路如图3-5所示。接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。每级放大器的放大倍数为70倍。放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。这里使用的是I N 4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。 3.4 显示电路 本系统采用三位一体L E D 数码管显示所测距离值，如图3-6。数码管采用动态扫描显示，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。 - 6 - 图3-6 显示单元

19、图 3.5 供电电路 本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经虑波电容C1虑波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。 图3-7 供电单元电路图 3.6 报警输出电路 为提高测测距系统的实用性，本测距系统

20、的报警输出提供开关量信号及声响信号两种方式。 方式一：报警信号由单片机P3.1端口输出，继电器输出，可驱动较大的负载，电路由电阻R6、三极管BG9、继电器JDQ组成，当测量值低于事先设定的报警值时，继电器吸合，测量值高于设定的报警值时，继电器断开。 方式二：报警信号由单片机P0.2口输出，提供声响报警信号，电路由电阻R7、三极管BG8、蜂鸣器BY组成，当测量值低于事先设定的报警值时，蜂鸣器发出“滴、滴、滴.”报警声响信号，测量值高于设定的报警值时，停止发出报警声响。报警输出电路如图3-8。 - 7 - 图3-8 报警输出电路 4 软件设计 4.1 软件设计方法 超声波测距仪的软件设计主要由主程

21、序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算，又要求精细计算程序运行时间，所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。 4.1.1主程序设计 主程序首先是对系统环境初始化，设定时器0为计数，设定时器1定时。置位总中断允许位EA。进行程序主程序后，进行定时测距判断，当测距标志位ec=1时，测量一次，程序设计中，超声波测距频度是4-5次/秒。测距间隔中，整个程序主要进行循环显示测量结果。当调用超声波测距子程序后，首先由单片机产生4个频率为38.46k

22、Hz超声波脉冲，加载的超声波发送头上。超声波头发送完送超声波后，立即启动内部计时器T0进行计时，为了避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发，这时，单片机需要延时约1.5 -2ms时间后，才启动对单片机P3.5脚的电平判断程序。当检测到P3.5脚的电平由高转为低电平时，立即停止T0计时。由于采用单片机采用的是12M的晶振，计时器每计一个数就是1s，当超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数按式计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离。 设计时取15时的声速为340 m/s则有：d=(ct)/2=172T0/10000cm其中，T0为计数器T0的计算值。 测出距离后结

23、果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。 - 8 - 4.2 超声波测距程序流程图 - 9 - 显示 显示值= - - - 距离上限值 启动定时器 初始化 开始 测量标志 =0 超声波测距 =1 Y =N 显示值= C C C =N0 设定段码转换 测量段码转换 N 距离报警值 = Y 报警输出 4.3 超声波测距程子序流程图 结束 计算测量值 停止计时 Y超声波测距 N 标志=1? Y发送超声波 启动计时器T0 延时避开盲区 N 收到回波否？ Y预设时间？ N 5 调试与性能分析 5.1 调试步骤 我们的步骤是先焊接各个模块，焊接完每个模块以后，再进

24、行模块的单独测试，以确保在整个系统焊接完能正常的工作，原件安装完毕后，将写好程序的AT89S51机装到测距板上，通电后将测距板的超声波头对着墙面往复移动，看数码管的显示结果会不会变化，在测量范围内能否正常显示。如果一直显示“- - -”，则需将下限值增大。本测距板1s测量4-5次，超声波发送功率较大时，测量距离远，则相应的下限值应设置为高值。试验板中的声速没有进行温度补偿，声速值为340m/s，该值为15时的超声波值。 - 10 - 5.2 性能分析 从实物测试的总体来说本测距板基本上达到了要求，理想上超声波测距能达到500到700厘左右，而我们所能实现的最大距离只有699厘，测量结果受环境温

25、度影响。分析原因如下： 1. 超声波发射部份由电阻R1、三极管BG1、超声波脉冲变压器B及超声波发送头T40构成，以提高超声波的发射功率，从面提高测量距离。这种方式，加大的超声波了送头的余振时间，造成超声波测距盲区值较大。 2.本测距板没有设计温度补偿对测量结果进行修正。但在硬件的PCB上预留的位置。 致谢 短短的一学期的毕业设计就这样结束了，在整个设计过程当中，经历了挫折和失败，但最终获得成功。一直在不懈的努力，到最后收获真的很大，在深刻地认识到自己在学习上的薄弱环节的同时，通过查阅资料和在老师的帮助下以及理论分析与实践的反复进行和论证后许多问题都基本能迎刃而解，最终基本达到设计目的。 通过

26、这次的课程设计解决了如何进行超声波测量距离，以及如何进行设计。在设计过程中巩固和加深在传感器技术课程中所学的理论知识和实验技能。初步了解了虚拟仪器的基本原理以及使用方法，对它的认识有了进一步的加深。在理论联系实际的过程中提高了对自动检测系统的设计和创新实践能力。 - 11 - 参考文献 1赵建领 薛园园 51单片机开发与应用技术详解 北京:电子工业出版社,2009 2 沈红卫. 基于单片机智能系统设计与实现. 北京:电子工业出版社,2005 3 杨国田 白 焰 董 玲 51单片机实用C语言程序设计 中国电力出版社 2009 4 李群芳,黄建. 单片机微型计算机与接口技术. 北京:电子工业出版社,2001 5 楼然苗、李光飞. 51系列单片机设计实例. 北京:北京航空航天大学出版社,2003 6 王守中 51单片机开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2009 - 12 -