超声波测距原理概述Word格式.docx
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3.2.1超声波测距单片机系统9
图3-1:
超声波测距单片机系统9
3.2.2超声波发射、接收电路9
超声波测距发送接收单元10
3.2.3显示电路10
四.系统软件设计11
4.1主程序设计11
4.2超声波测距子程序12
4.3超声波测距程序流程图13
4.4超声波测距程子序流程图14
五.调试及性能分析14
5.1调试步骤14
5.2性能分析15
六.心得体会15
参考文献16
附录一超声波测系统原理图18
附录二超声波测系统原理图安装图19
附录三超声波测系统原理图PCB图20
附录四超声波测系统原理图C语言原程序21
参考文献26
一、设计任务和性能指标
1.1设计任务
利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个超声波测距仪器,用LED数码管把测距仪距测出的距离显示出来。
要求用Protel画出系统的电路原理图,印刷电路板,绘出程序流程图,并给出程序清单。
1.2性能指标
距离显示:
用三位LED数码管进行显示(单位是CM)。
测距范围:
25CM到250CM之间。
误差:
1%。
二、超声波测距原理概述
超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。
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,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
超声测距是一种非接触式的检测方式。
与其它方法相比,如电磁的或光学的方法,它不受光线、被测对象颜色等影响。
对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
因此在液位测量、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;
而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
利用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,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
超声波测距的方法有多种,本超声波测中系统的原理为:
检测出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,将这个时间与气体中的声速相乘,就是声波传输的距离。
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时单片机开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度随温度变化,其对应值如表2-1,根据计时器记录的时间t(见图2-1),就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:
s=vt/2。
表2-1声速与温度的关系
温度(℃)
-30
-20
-10
10
20
30
100
声速(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
图2-1超声波测距时序图
2.1超声波传感器
2.1.1超声波发生器
为了研究和利用超声波,人们已经设计和制成了许多超声波发生器。
总体上讲,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。
2.1.2压电式超声波发生器原理
压电型超声波传感器的工作原理:
它是利用压电效应的原理,压电效应有逆效应和顺效应,超声波传感器是可逆元件,超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。
所谓压电逆效应如图2-2所示,是在压电元件上施加电压,元件就变形,即称应变。
若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压,外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥,同时,外部负电荷与极化负电荷相斥。
由于相斥的作用,压电陶瓷在厚度方向上缩短,在长度方向上伸长。
若外部施加的极性变反,如图c所示那样,压电陶瓷在厚度方向上伸长,在长度方向上缩短。
图2-2压电逆效应图
2.1.3单片机超声波测距系统构成
单片机AT89C51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。
图2-3超声波测距系统框图
三、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。
单片机使用51系列的AT89C2051单片机,该单片机工作性能稳定,同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。
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。
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三部分。
单片机采用AT89C2051。
采用12MHz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P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号,P3.6端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3位共阳LED数码管,段码输出端口为单片机的P1口,位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
3.1AT89C2051单片机
AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(RAM),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MCS-5l指令系统,片内置通用8位央处理器和Flash存储单元,功能强大。
AT89C2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
主要性能参数
·
与MCS-51产品指令系统完全兼容
2k字节可重擦写闪速存储器
1000次擦写周期
2.7V-6V的工作电压范围
全静态操作:
0Hz-24MHz
两级加密程序存储器
128×
8字节内部RAM
15个可编程I/O口线
2个l6位定时/计数器
6个断源
可编程串行UART通道
可直接驱动LED的输出端口
内置一个模拟比较器
低功耗空闲和掉电模式
功能特性概述
AT89C2051提供以下标准功能:
2k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,15个I/O口线,两个16位定时/计数器,—个5向量两级断结构,一个全双工串行通信口,内置—个精密比较器,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C2051可降至0HZ的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2超声波测距系统构成
本系统由AT89C2051单片机控制,包括单片机系统、发射电路与接收放大电路和显示电路几部分组成,如图3-1所示。
单片机的晶振采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。
通过单片机的P3.5端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号,P3.6端口监测超声波接收电路输出的返回信号。
超声波接收头接收到反射的回波后,经过接收电路处理后,向单片机P3.7输入一个低电平脉冲。
单片机控制着超声波的发送,超声波发送完毕后,立即启动内部计时器T0计时,当检测到P3.7由高电平变为低电平后,立即停止内部计时器计时。
单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值,最后经3位数码管将测得的结果显示出来。
3.2.1超声波测距单片机系统
超声波测距单片机系统主要由:
AT89C2051单片机、晶振、复位电路、电源滤波部份构成。
如图3-1。
超声波测距单片机系统
3.2.2超声波发射、接收电路
超声波发射、接收电路如图3-1。
超声波发射部份由电阻R2及超声波发送头T40板成;
接收电路由BG1、BG2X组成的两组三级管放大电路组成;
检波电路、比较整形电路由C7、D1、D2及BG3组成。
40kHz的方波由AT89C2051单片机的P3.5驱动超声波发射头发射超声波,经反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波,由于声波在空气中传播时衰减,所以接收到的波形幅值较低,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。
该测距电路的40kHz方波信号由单片机AT89C2051的P3.5发出。
方波的周期为1/40ms,即25µ
s,半周期为12.5µ
s。
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1µ
s,所以只能产生半周期为12µ
s或13µ
s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。
超声波测距发送接收单元
由于反射回来的超声波信号非常微弱,所以接收电路需要将其进行放大。
接收电路如图4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IN4148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。
3.2.3显示电路
本系统采用三位一体LED数码管显示所测距离值,如图8(见下页)。
码管采用动态扫描显示,段码输出端口为单片机的P1口,位码输出端口分别为单片机的P3.2、P3.1、P3.0口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。
四.系统软件设计
4.1主程序设计
超声波测距的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收程序及显示子程序组成。
超声波测距的程序既有较复杂的计算(计算距离时),又要求精细计算程序运行时间(超声波测距时),所以控制程序可采用C语言编程。
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cl==1,即进行测量一次,程序设计中,超
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