毕业设计(论文)基于单片机的超声波传测距系统设计.doc
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1、摘要单片微型计算机具有结构简单、控制功能强、重量轻等优点,在机械电子、航空航天、冶金采矿以及家用电器等许多领域都得到了广泛的应用,发挥了巨大的作用。超声波指向性强,能量耗损缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波测距迅速、方便、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,因此得到广泛应用。超声技术是一门各行各业都要使用的通用技术,它是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的。目前,超声波技术广泛应用于各个工业部门的超声探测、超声焊接、超声检测和超声医疗方面。基于单片机的超声波测距系统易实现,成本低,精确度高,并且容易做到实时控制,具备较强
2、的实用性,可实现0.310米的测量。在机器人领域,这种系统的装置大受机器人设计者的欢迎且得到了广泛应用,为机器人的避障行走提供了可靠保障,大大提高了机器人的灵活性和智能性。关键词:超声波传感器,单片机,测距 AbstractCompared with other kinds of product, Single-Chip Microcomputer is simple, small, light and easily controlled. It is used extensively in mechanical electron, aerospace, metallurgical minin
3、g technology, electric home appliances and such a lot of fields, so Single-Chip Microcomputer has played huge role. Orientation of ultrasonic is very good. When ultrasonic travels through air, it can go farther and energy consume slowly. For those many advantages, ultrasonic is used in distance meas
4、urement. This distance measurement is quick, nice and advanced.Ultrasonic technology is a general technology that is used in commercial and professional fields. It is through ultrasonic production, propagate and reception. Ultrasonic technology has been extensive application in the ultrasound of eve
5、ry industrial department survey, welding, detection and ultrasonic medical system. It easily realized. Based on the ultrasonic system of range finding of single-chip microcomputer is low price, accuracy and easily controlled. In this measurement, ultrasonic wave can be reached 0.3-10m. In robot fiel
6、d, this kind of systematic installation is popular with designer of robot .It has gotten extensive and wise application. This treatment has offered reliable guarantee for robot avoid block walk. It also has raised intelligence and the flexibility of robot greatly. Keywords: Single chip microcomputer
7、 ,Ultrasonic sensor ,Distance measurement 绪论人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。 新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中,要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数,使设备工作在正常状态或最佳状态,并使产品达到最好的质量。因此可
8、以说,没有众多的优良的传感器,现代化生产也就失去了基础。1.1 研究背景单片机技术作为计算机技术的一个分支,广泛地应用于各个领域。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统,如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。一些仪器仪表如智能仪器、医疗器械、数字示波器等也用到单片机。计算机外部设备与智能接口如图形终端机、 传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机,商用产品如自动售货机、电子收款机、电子称,家用电器如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等都离不开单片机。单片机在控制领域中,具有很多优点,它体积小,成本低,运用灵活,易于产品化,它能方便的组成各种智能化的
9、控制设备;面向控制,能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务,因而能获得最佳的性能价格比;它抗干扰能力强,适用范围宽,在各种恶劣的环境下都能可靠的工作,这是其它类型计算机无法比拟的;此外,可以方便地实现多机和分布式控制,使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。在国内,单片机以其极其优越的特点受到人们高度重视,并取得了一系列科研成果,成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种,具有广阔的发展前景。近几年来,超大规模集成电路的出现,促使微型机算计向三个方向发展:单片机、高性能微型机算计及专用微型机算计。单片机在微型机算计领域中占据着十分重要的地位。如今,单片机的发展越来越迅速,国内外先进技术不断
10、涌现。目前,嵌入式数字信号处理器发展速度很快,和微控制器MCU结合在一起是近期单片机发展的一个方向。嵌入式系统一般指把单片机嵌入有某种功能并有独立形态的系统中作为智能控制核心。它是计算,通信与消费结合的产品,主要用于信号处理与控制,应用最多的是智能家用电器,是智能家电产品的核心11.2 研究的意义 在基础学科研究中,传感器具有突出的地位。现代科学技术的发展,进入了许多新领域:例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙,微观上要观察小到 cm的粒子世界,纵向上要观察长达数十万年的天体演化,短到 s的瞬间反应。此外,还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究,如超高温、超
11、低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。显然,要获取大量人类感官无法直接获取的信息,没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍,首先就在于对象信息的获取存在困难,而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科开发的先驱。 1.3 应用现状目前,超声波技术广泛应用于各个工业部门的超声探测、超声焊接、超声检测和超声医疗方面。基于单片机的超声波测距系统易实现,成本低,精确度高,并且容易做到实时控制,具备较强的实用性,可实现0.310米的测量。在机器人领域,这种系统的装置大受机器人设计者的欢迎且得到了广泛应用,为机器人的避障行
12、走提供了可靠保障,大大提高了机器人的灵活性和智能性。同时单片机正向16位和32位发展,并已取得很大成就,但从市场应用情况来看,并不是高级阶段产品淘汰低级产品,它们都有着各自的应用领域。高速应用场合选用16或32位单片机,低速应用场合仍选用8位单片机,也有用4位单片机的。MCS-51与众多公司产品的兼容性,这就保证了51系列在21世纪仍然具有技术的领先性。1.4 课题的主要研究工作本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。单片机选用8051,便于编程。单片机通过计时并按一定的算法运算后将所测物体的距离在八段数码管上显示出来。此外,对于超声波传感器还需设计相应的辅助电路
13、,将超声波调制脉冲变为电压信号,再经运算放大等一系列行为,最终作为中断请求信号,送至单片机处理。1 方案选择 无线液位传感器的设计与主要突出的重点在于无线的实现,而无线的实现的可供选择方法有以下几种:光电,超声波,压力。这几种方法我们必须在设计之前选择出一个最简易的最高效的方法1.1 光电传感器光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度
14、、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来,新的光电器件不断涌现,特别是CCD图像传感器的诞生,为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。光电池可以应用在光电检测和自动控制方面,光电池作为光电探测使用时,其基本原理与光敏二极管相同,但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压;光电转换效率高,光谱范围宽,频率特性好,噪声低等,它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。1.2 超声波传感器超
15、声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器。 1.2.1 超声波探头的结构超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波
16、。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。1.2.2超声波传感器的主要性能指标晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括:(1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。(2)工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高,特别
17、时诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。(3)灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。超声波距离传感器可以广泛应用在物位(液位)监测,机器人防撞,各种超声波接近开关,以及防盗报警等相关领域,工作可靠,安装方便, 防水型,发射夹角较小,灵敏度高,方便与工业显示仪表连接,也提供发射夹角较大的探头。1.3 压力传感器力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等
18、。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时,我们必须知道一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一
19、般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D 转换和CPU )显示或执行机构。1.4 方案的比较 现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种
20、原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。2、灵敏度的选择通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量
21、是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差。4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围
22、越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。5、稳定性传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响
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