测控技术与仪器单片机超声波测距毕业论文.doc
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1、 超声波测距系统的硬件设计测控技术与仪器 摘要超声波测距器,可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以与一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。在本次设计中,设计的超声波测距系统的测量精度为1cm,能够清晰稳定地显示测量结果。在整个超声波测距硬件电路模块中主要的电路设计有超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、温度补偿电路以与声光报警电路构成。其中接收电路主要采用的是CX20106A;发射电路采用的是反相器74HC04与超声波发射换能器组成;另外,为了提高测量的精度在电路中又加入了温度补偿装置,DS18B20就是用来测量当前温度从而来实现这一功能。通过实物验证这一设计方案
2、是可行的。关键词STC89C52;超声波测距;74HC04;CX20106A;温度补偿TheHardware Design of Ultrasonic RangingSystermTracking Control Technology and EquipmentAbstract:Ultrasonic range finder, can be applied to the car into reverse, the construction sites and industrial the position to monitor and may be used as the old, dark,
3、 the length of such occasions. In the design of system design, precision measurement range of ultrasonic, the stability of 1cm clear that measurement.In the whole range of ultrasonic hardware circuit that the main circuit design has an ultrasonic the circuit, an ultrasound the circuit, show circuit,
4、 temperature compensate circuit and theaudible and visible police made a circuit.One of the main circuits are CX20106A ;The circuit is the use of ultrasonic 74HC04 and in the launch of the change to another in order to improve ;The precision measurement in the circuit joined the compensation arrange
5、ment, DS18B20 is used to measure the temperature and to fulfil this function. In the design by the scheme is feasible.Keywords:STC89C52;SilentWaveMeasureDistance;74HC04;CX20106A;Temperature Compensation21 / 23目录1 序言11.1 课题研究的背景与意义12 超声波测距的设计思路22.1 超声波传感器与其测距原理22.2方案论证33 总体方案设计33.1 单片机测距原理43.2 单片机系统与
6、其基本电路43.2.1STC89C52的功能介绍53.2.2单片机的基本连接电路63.3 超声波发射部分电路73.4 超声波接收部分电路83.5 温度补偿电路103.5.1温度传感器工作原理103.5.2温度补偿电路113.6 数码显示电路123.6.1数码管基本知识123.7 键盘电路143.7 报警电路154 软硬件调试16参考文献16附录16结束语19致201 序言1.1 课题研究的背景与意义在我国,超声学的研究开始于二十世纪五十年代,1959年至1964年间我国建立了分子声学实验室,对驰豫吸收、悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究,设计生产了固体中超声衰减的测量设备,对粘弹性和可压缩流
7、体的声速和衰减的研究取得了令人兴奋的成果。同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了可喜的成绩。表面波换能器的研究我国开始于1965年,于1970年开始了高频表面波的研究,1977年,我国研制成表面脉冲压缩滤波器。在80年代以后,我国的超声研究进入了一个全新的阶断,取得了一系列标志性成果,压电复合材料研制成功,窄脉冲短余振探头问世,PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平,高分子压电PVDF型换能器和超声显微镜的研究获得了实用,高频压电材料LiNb03研制成功。在应用方面,B超和A超医疗探头开始投入生产和医疗应用。超声显微镜投入应用。总的来说,我国在超声方面的研究在某些方
8、面己走在了世界的前列。近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向:1、由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断,并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像;2、向在线自动检测和仪器的智能化发展,其中非接触超声测试技术取得突破进展; 3、超声测试技术和材料的物性评价相结合,材料的设计、加工和工程应用迅速发展1。因此超声波在我们日常生活中应用非常广泛,在工业生产中,超声波被应用在金属材料和部分非金属材料探伤,钡口厚,以与超声振动切削加工、清洗、焊接等行业。以与进行物位、浓度、硬度、温度等检测。在医学领域,在诊断显像技术,血流测量计,胎儿检查仪,超声波洁牙器等医疗器
9、械都是利用了超声波的特性。在军事领域中,超声波用于雷达目标定位,武器制导等方面2。 随着科学技术的快速发展,超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术与产业领域。展望未来,超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求,在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。 因此设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的目的与意义。2 超声波测距的设计思路2.1 超声波传感器与其测距原理 超声波
10、是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段,必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。测量距离的方法有很多种,短距离的可以用尺,远距离的有激光测距等,由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播距离远,因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,并且在测量精
11、度方面也能达到要求。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/秒,由单片机负责计时,单片机使用11.095M晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波发生器可以分为两类: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。本课题属于近距离测量,可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(timeof flight)。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离即s=vt/2。(其往返时间为t,v为超声波在空气中的传播速度)根据设计要求并
12、综合各方面因素,在本课题中采用STC89C52单片机作为主控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成,超声波测距器的系统框图如图1所示: 图1 超声波测距系统原理框图2.2 方案论证由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,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。利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,并且在测量精度方面也能达到使用要求。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
13、射波方式,适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 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、电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不一样,因而用途也各不一样。另外测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器,常用的材料是压电瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减,衰减的程度与频率的高低成正比;而频率高分辨率也高,故短距离测量时应选择频率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器3。根据设计要求并综合各方面因素,本文采用STC89C52单
14、片机作为控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器来驱动。3 总体方案设计由单片机STC89C52编程产生40kHz的方波,由P3.3口输出,再经过放大电路,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,通过接收电路的检波放大、积分整形与一系列处理,送至单片机。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。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端
15、相连接。其时序图如图2所示。图2 时序图单片机在T0时刻发射方波,同时启动定时器开始计时,当收到回波后,产生一负跳变到单片机中断口,单片机响应中断程序,定时器停止计数。计算时间差,即可得到超声波在媒介中传播的时间t,由此便可计算出距离。另外由于超声波受温度的影响比较大,因此为了提高测量的精度我在这里加入了温度补偿装置,利用DS18B20测的当前温度值,在根据温度与超声波传播的速度之间的关系计算出实际在空气中传播的速度,从而来计算实际的距离。在设计中还加入了报警装置,当测量的距离过长或过短报警器就会发出蜂鸣声并有指示灯指示是过长还是过短。3.1 单片机测距原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超
16、声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离SCt2,式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素:超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以与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的可测距离。为了增加所测量的覆盖围、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。由于超声波属于声波围,其波速C与温度有关即C=3314+0607T。因此在实现超声波测距的过程中我们需要测出传播时间与当前温度,这就需要软硬件共同作用来实现。3.2 单片机系统与其基本电路3.2.1 STC89C52的功能
17、介绍STC89C52RC是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰一种单片机,其指令代码兼容传统的8051单片机,12时钟、机器周期和6时钟、机器周期可以任意选择。图3 STC89C52RC实物图(1)STC89C52芯片共40引脚: 18脚: 通用I/O接口p1.0p1.79脚:RST复位键10 11脚:RXD串口输入 TXD串口输出1219:I/O p3接口 (12,13脚 INT0中断0 INT1中断11415 : 计数脉冲T0 T1 16,17: WR写控制 RD读控制输出端)1819: 晶振谐振器 20 地线2128 p2 接口 高8位地址总线29: psen 片外rom选通端
18、单片机对片外rom操作时 29脚(psen)输出低电平30:ALE/PROG 地址锁存器31:EA/ROM取指令控制器 高电平片取 低电平片外取3239:p0.7p0.0(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同 与引脚号的排列顺序相反)40:电源+5V4(2)其主要特性有:工作电压5.5V-3.3V用户程序应用空间:8K寿命:1000写擦循环数据保留时间:10年工作频率:0Hz一40MHz,外部晶振20MHz以下可省复位电路三级程序存储器锁定片上集成1280字节或512字节RAM32可编程IO线两个16位定时器计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片振荡器和时钟电路有EEPROM功
19、能看门狗在空闲模式下,CPU保持睡眠状态而所有片的外设仍保持激活状态,这种方式又软件产生。此时,片RAM和所有特殊功能寄存器的容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或复位终止。应注意的是:在用硬件复位终止空闲模式时,AT89C2051通常从程序停止一直到部复位获得控制之前的两个机器周期恢复程序执行。在这种情况下片硬件禁止对部RAM的读写,但允许对端口的访问,要消除硬件复位终止空闲模式对端口意外写入的可能,原则上进入空闲模式指令的下一条指令不应对端口引脚或外部存储器进行访问。在掉电模式下,振荡器停止工作,进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令,片RAM和特殊功能寄存器的容终止掉电模式前被冻
20、结。退出模式的唯一方法是硬件复位,复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的容,在VCC恢复到正常工作电平前,复位应无效,且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并稳定工作5。3.2.2单片机的基本连接电路单片机正常工作时,都需要一个时钟电路和一个复位电路来构成单片机的最小系统。时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号,其有两种时钟方式:外部时钟和部时钟。外部始终是使用外部振荡脉冲信号,常用于多片单片机同时工作,以便于同步。本设计只有一片单片机,采用部时钟方式。STC89C52部有一个可控制的负反馈反向大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与反馈元件
21、的片外石英晶体或瓷谐振器构成一个自激振荡器。外接晶体以与电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容值虽然没有严格的要求,但是电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、荡器的稳定性、震的快速性和温度稳定性。外接晶体时,两个电容通常选择30PF左右,外接瓷谐振器时,典型值约为47PF.出于对测距精度的考虑,本设计采用12MHZ的晶体振荡器,c1和c2的电容值约为30PF3。复位是单片机的初始化操作,只要RST引脚出至少保持两个机器周期的高电平就可以实现复位。在RST端出现高电平后的第二个周期,执行部复位,以后每个周期重复一次,直至RST端变低。单片机的复位电路有两种:上电复位和
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