超聲波測距儀

1、超聲波測距儀第1頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三設計任務與要求任務：了解超聲波傳感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51單片機的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎上，指出了設計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，以AT89S51單片機為核心做出低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計。要求：電路設計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面盡可能達到工業(yè)實用的要求。第2頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三總體設計由單片機AT89S51編程產(chǎn)生40kHz的方波，由P3

2、.6口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離,并由單片機控制顯示出來。該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖1-1所示。單片機在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產(chǎn)生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數(shù)

3、。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。第3頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三功能模塊入選方案介紹方案一：基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產(chǎn)生頻率為40kHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機中斷口。這種以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機

4、響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離，結果輸出給LED顯示1。利用單片機準確計時，測距精度高，而且單片機控制方便，計算簡單。許多超聲波測距系統(tǒng)都采用這種設計方法。方案二：基于CPLD的超聲波測距系統(tǒng)這種測距系統(tǒng)采用CPLD器件，運用VHDL編寫程序，使用MAX+plusII軟件進行軟硬件設計的仿真和調試，最終實現(xiàn)測距功能。CPLD器件內部的宏單元是其最基本的模塊，能獨立地編程為D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、RS觸發(fā)器或JK觸發(fā)器工作方式或組合邏輯工作方式。它的這種特性非常適用于本系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由MAX來實現(xiàn)，而只需在外部配上適

5、當?shù)某暡▊鞲衅?、接收和發(fā)送電路，即可組成一個測量精度高、性能穩(wěn)定、響應速度快且具有顯示功能的超聲波測距儀。本系統(tǒng)利用CPLD器件控制超聲波的發(fā)射，并對超聲波發(fā)射至接收的往返時間進行計數(shù)，將計算結果在LED上顯示出來。配合使用MAX+plusII開發(fā)軟件，可集設計輸入、設計處理、設計校驗和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射40kHz的超聲波，在發(fā)射超聲波的同時，MAX7128S內的計數(shù)器開始計數(shù)。超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就會立即返回來。超聲波接收器收到反射波后就將回波信號送到CPLD，CPLD立即停止計數(shù)。CPLD所計的時間就是超聲波從傳感器到被測物的往返

6、時間。超聲波在空氣中的傳播速度如設定為332m/s，根據(jù)計數(shù)器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s，即：s=332t/2。CPLD開始計數(shù)后，只要傳感器收到回波，CPLD就立即停止計數(shù)，即只有最先返回的超聲波才起作用，也就是說超聲波測距儀總是測得離傳感器最近的物體的距離2。本系統(tǒng)采用先進的CPLD器件，高性能、低成本地實現(xiàn)了距離的測定。第4頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三功能模塊方案選擇方案確定：基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)選定方案描述：發(fā)射電路的設計由單片機產(chǎn)生的40kHz的方波需要進行放大，才能驅動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅動電路其實就是一個信號放大

7、電路，本課題所選用的是74HC04集成芯片，74HC04內部集成了六個反向器，同時具有放大的功能。接收電路的設計超聲波接收頭接收到超聲波后，轉換為電信號，此時的信號比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了LM741對接收到的信號進行放大。超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉換，產(chǎn)生一正弦信號，其頻率為傳感器的中心頻率，即40kHz。該信號通過C1高通濾波后經(jīng)LM741放大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機中斷口。LM741是一單運放集成芯片。顯示模塊的設計LED 有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別與同名管腳相連。七段

8、LED顯示管比八段LED少一只發(fā)光二極管SP，其他與八段相同。第5頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三硬件電路設計MCU:本系統(tǒng)所用的是Atmel公司生產(chǎn)的AT89S51，它是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性

9、價比的解決方案。18B20:DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。 74HCO4：6個獨立的反相器,放大電路信號。UA74LCN: 單運放集成芯片 ，對接收到的信號放大。第6頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三主程序和主要子程序流程圖(a)為主程序流程圖，(b)為定時中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。第7頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三程序#include sbit WAVE=

10、P37;sbit SIGNAL=P33;typedef unsigned char UINT8;typedef unsigned int UINT16;void Delay1(UINT16 i)while(i-);void Delay2(UINT16 t)UINT16 i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j113;j+);main()IE=0 x8A; /開啟兩個定時、計數(shù)器TMOD=0 x15;TH1=0 xFF;TL1=0 xF5;/定時12.5uS，用以產(chǎn)生40kHZ的方波while(1)TR1=1;TR0=1;Delay1(2); /延時300uS，則最小測量距離為5c

11、mEX1=1; /開啟外部中斷Delay2(120);第8頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三安裝與調試通過多次實驗，對電路各部分進行了測量、調試和分析。首先測試發(fā)射電路對信號放大的倍數(shù)，先用信號源給發(fā)射電路輸入端一個40kHz的方波信號，峰-峰值為3.8V。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號峰-峰值放大到10V左右。40kHz的方波驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負跳變，在單片機的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個中斷請求信號。該測距電路的40kHz方波由單片機編

12、程產(chǎn)生，方波的周期為1/40ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于12M晶振的單片機的時間分辨率是1s，所以只能產(chǎn)生半周期為12s或13s的方波信號，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時選用了后者，讓單片機產(chǎn)生約38.46kHz的方波。第9頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三使用說明本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。接收電路的輸出端接單片機的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器，利用定時器的計數(shù)功能記錄超

13、聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離,結果輸出給LED顯示。第10頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三心得體會超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細地介紹了超聲波傳感器的原理、結構、檢測方式以及它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設計測距電路。單片機是本系統(tǒng)的控制部分，采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51芯片。驅動超聲波傳感器的40kHz的方波信號，就是由單片機編程產(chǎn)生的。本系

14、統(tǒng)的發(fā)射電路采用74HC04六反向器，通過它對單片機產(chǎn)生的方波信號進行放大，以驅動傳感器工作。接收電路采用的是LM741，通過接收電路對接收到的信號進行放大和整形，最終再輸出負脈沖給單片機響應中斷程序。本系統(tǒng)的LED顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機軟件譯碼。單片機內部采用C語言編程，方波信號的產(chǎn)生、時間差的讀取、距離的計算以及顯示輸出的譯碼都由單片機編程完成。本課題所設計的超聲波測距系統(tǒng)具有測量精度較高、速度快、控制簡單方便等優(yōu)點。測距范圍從20cm到200cm，測量精度在10cm內。測距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場和自動控制場合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善

15、的地方，在今后的學習中會進一步改進?？傮w來說，最重要的是在本課題的設計過程中我學到了很多知識，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學會了各種放大電路的分析、設計，也掌握了單片機的開發(fā)過程和利用單片機設計電路的方法。對一塊電路板的設計、焊板、調試、改進等整個過程，有了更深入的理解和掌握。這些對我今后的學習和工作都會有很大幫助的。第11頁，共15頁，2022年，5月20日，10點17分，星期三參考文獻1.劉鳳然.基于單片機的超聲波測距系統(tǒng).傳感器世界.2001,5:29-322.葛健強.基于CPLD的超聲波測距儀研制. 無錫商業(yè)職業(yè)技術學院學報.2004,4(3):8-103.何希才,薛永毅.

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