超声波测距仪设计.docx
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超声波测距仪设计.docx
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超声波测距仪设计
学校代码:
11059
学号:
0805070059
HefeiUniversity
毕业论文(设计)
BACHELORDISSERTATION
论文题目:
超声波测距仪设计
学位类别:
工学学士
学科专业:
自动化
作者姓名:
丁宾宾
导师姓名:
刘伟
完成时间:
2012年5月23日
超声波测距仪设计
中文摘要
超声波是一种广泛应用的传感器装置,能以声音或者更为直观的显示告知周围障碍物的情况,目前基于超声波的测距装置研究收到广泛关注。
本文基于STC89C52单片机完成了超声波测距系统的设计,具体工作如下:
(1)利用超声波测距原理,设计出超声波发射电路、超声波接收电路。
控制器选用STC89C52单片机,验证其方案的可行性。
(2)焊接系统整体硬件电路,硬件电路中主要温度检测电路、LCD显示电路、语音报警电路、超声波发射电路、超声波接收电路和单片机系统电路等。
(3)设计并编译软件,开始系统整体调试,检查问题并解决问题,同时把超声波测量的精度调高。
本设计经过实物调试后,具有实时测量距离,并具有语音报警功能,测量精度较高,性能稳定特点,达到了预期要求。
关键词:
超声波传感器;STC89C52;语音播报;LCD
Thedesignoftheultrasonicrangefinder
ABSTRACT
Ultrasoundisawidelyusedsensordevice,tothesoundoramoreintuitivedisplaytoinformthesurroundingobstacles,ultrasonicrangingdevicereceivedextensiveattention.IusetheSTC89C52MCUtocompletethedesignoftheultrasonicrangingsystem,specificallyasfollows:
1.Theuseofultrasonicrangingprinciple,todesigntheultrasonictransmittercircuitandtheultrasonicreceivercircuit.ChoosetheControlleroptionalSTC89C52,toverifyitsfeasibility.
2.Weldingsystem'soverallhardwarecircuits,hardwarecircuittemperaturesensingcircuit,LCDdisplaycircuit,voicealarmcircuit,ultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivercircuitandmicrocontrollersystemcircuit.
3.Designandbuildthesoftware,startthewholesystemcommissioning,checktheproblemandsolveproblems,increasetheaccuracyofultrasonicmeasurement
Designthekinddebuggingreal-timemeasurementdistance,highermeasurementaccuracy,stableperformancecharacteristics,toachievethedesiredrequirements.
KEYWORD:
Ultrasonicsensors;STC89C52;VoiceBroadcast;LCD
第一章绪论
本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性,以及STC89C52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STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、液晶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。
1.1课题背景及意义
超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段。
利用超声波测量基准位置和目标物体之间距离的方法,称为超声波测距法。
由于超声波的速度相对于光速要小的多,其传播时间容易检测,并且易于定向发射,方向性好,强度好控制,因而人类利用超声波进行生产生活上的多方面应用。
超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达[1]、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场中的液位、井深、管进长度测量等场合。
因此研究超声波测距系统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。
本设计拟以单片机为控制核心,主要包括超声波发射、超声波接收、时间电路、温度检测处理、显示电路以及语音报警四部分。
1.2国内外研究动态
国外在提高超声波测距方面做了大量的研究,国内一些学者也作了相关的研究。
目前超声波测距方法主要有三种:
(1)相位检测法:
精度高,但检测范围有限;
(2)声波幅值检测法:
易受反射波的影响;(3)渡越时间法:
工作方式简单,直观。
现在对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度,二者中以传输时间的精度影响较大,所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。
温度对传感器的影响也很大,因此,需要用温度传感器进行校正,目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。
1.3课题研究内容
为了实现准确测出物体之间的距离的目的,设计了一个超声波测距仪的方案。
超声波测距仪通过发出超声波并接收反射回来的超声波并通过单片机的计算就可以知道物体的距离。
拟应用以下三种技术:
1、单片机技术:
STC89C52系列的单片机具有体积小,重量轻,结构较为简单,成本低廉,可以实现一般的控制功能的优点。
而且单片机更适用应用于小型的嵌入式系统,因此它得到了广泛的应用。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
2、超声波测距技术:
超声波测距技术与一般测距技术相比,具有操作方便、系统简单以及计算简单的优点。
此外,与光电、微波测距相比,超声波测距具有良好的抗干扰性和较高的精度,以及更快的反应速度。
3、显示技术:
通过12864LCD来显示测出与物体之间的距离,同时可以借助语音模块来提醒是否接触到物体。
4、语音模块技术:
主要用WT588D语音模块结合喇叭,把预置的声音下载到语音模块WT588D上,通过喇叭来播放。
当超声波传感器技术探测附近的障碍物,当物体过近时,语音开始语音报警,为使用者提供警告功能。
所设计的超声波测距系统可以同时提供听觉和视觉警告,当与障碍物的距离小于10cm时,发出报警声,提醒使用者注意。
1.4课题任务主要要求
超声波测距系统主要核心是超声波传感器,超声波的波长比一般声波要短,并且易于定向发射,具有较好的方向性,强度好控制。
由于超声波的速度相对于光速来说要小的多,其传播时间比较容易检测,已被广泛用于超声测距、测速、清洗、焊接等方面。
该设计技术指标:
(1)超声波探测距离范围2cm-2m。
(2)LCD实时显示超声波测距仪与障碍物的距离值:
XXXcm。
(3)超声波测距仪与障碍物的距离小于10cm时,发出警报声。
基于此任务,本设计中选择了超声波发射驱动电路驱动超声波换能器TCT40-16R/T(直径16mm)发射40kHz的超声波信号,并通过超声波接收探头接收被发射的超声波信号,通过接收电路进行调理,得到一个低电平的电压信号传入单片机中。
其内容主要分为软件和硬件两部分。
在遵循软硬件相结合的原则下,先熟悉软件环境,然后进行硬件电路设计,再根据设计的硬件进行软件编程,进行模块化设计,并对各模块进行调试,再焊接电路板,最后软硬件进行联合调试和故障的排除。
1.5课题任务分析与实现
针对本课题超声波测距仪的设计的任务,进行分析得到:
通过单片机产生40KHZ的方波经过超声波驱动电路,驱动超声波换能器发射超声波,并启动单片机内部计时器开始计时,当超声波被接收探头所接收后,单片机的计时器就停止计时,通过计算,把计算的距离值显示在LCD上。
其中对特定设置的距离进行报警。
要求达到的各项指标及实现方法如下:
(1)超声波信号的产生。
实现:
利用单片机产生40kHz的方波信号经过CD4049来驱动超声波换能器发射超声波信号。
(2)超声波信号的接收,即超声波被接收电路接收到以后会产生低电平电压信号。
实现:
超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10000倍放大器,对接收信号进行放大,后级采用LM358比较器对接收信号进行调整,输出低电平给单片机INT0引脚。
(3)测距的实现。
实现:
利用单片机外部中断INT0和定时器T0来实现。
(4)对数据的处理,要求用LCD显示以及报警。
实现:
利用软件编程实现显示和报警功能。
1.6论文结构安排
本文主要介绍了超声波测距的设计思想、电路原理、方案论证以及元器件的选择等内容,整体上分为硬件部分设计和软件部分设计。
本次设计的内容安排可以分为三部分:
第一部分是硬件设计,包括方案的设计、元器件的选择等。
具体的硬件电路包括超声波发射电路、超声波接收电路以及STC89C52单片机系统电路。
调试整体电路,并进行分析。
第二部分是软件设计,软件采用C语言编写,软件设计的思想主要是自顶向下,模块化设计,各个子模块逐一设计,分别再进行调试,最后联调整个程序,判断是否达到预期的要求,做出结论。
第三部分是系统整体调试,在软硬件模块调试都成功的前提下进行系统调试,这是整个设计的组后步骤,也是最为关键的部分。
其成功与否决定设计的成功与失败。
1.7本章小结
本章主要介绍了关于超声波测距仪的研究背景和设计要求,阐述了超声波测距仪的主要实现内容,并对超声波测距仪的要求和实现进行分析,并简单的叙述了对超声波测距仪的设计思路,最后叙述了本设计的主要内容。
第二章超声波测距的原理
2.1超声波基本理论
声波是由机械振动产生的,当谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波,可在不同介质中以不同的速度传播。
超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。
超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。
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。
因此广泛应用于空气测距,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[2]。
2.2超声波传感器
2.2.1超声波探头
利用超声波的这种性能就可制成超声波传感器,或称为超声波换能器,它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。
换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能,向外发送超声波;反之,当换能器处在接收状态时,它可将声能(机械能)转换为电能。
本设计我选用的是以机械方式产生超声波的超声波探头,即压电式超声波传感器。
超声波传感如图2.1所示。
图2.1超声波探头实物图
2.2.2压电式超声波传感器
压电式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。
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2.1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2.2所示那样,压电陶瓷在厚度方向上伸长,在长度方向上缩短[3]。
图2.2压电逆效应图
超声波发生器内部结构如图2.3所示,它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率时压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。
反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器。
图2.3压电式超声波发生器结构
2.2.3超声波传感器参数
超声波传感器分为发射器和接收器。
发射器将电磁振荡转换为超声波向空间发射,接收器将接收的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。
实质上是一种可逆的换能器,即将电振荡的能量转变为机械振荡,形成超声波;或者由超声波能量转换为电振荡。
常用的传感器有T40-XX和R40-XX系列,UCM-40T,UCM-40R等,本设计采用的超声波型号是TCT40-16R/T(直径16mm),其中TC为压电陶瓷超声传感器,T是通用性;40是中心频率(KHz),16为外径:
Φ(mm),R/T是使用方式:
T—发射;R—接受;TR为收发兼用。
其特征参数如表2-1所示。
表2-1TCT40-16R/T参数图
性能
发射
接收
标称频率
40
40
发射声KHz(0dB=0.02mPa)
117min
——
接收灵敏at40KHz(0dB=V/Pa)
——
-65min
静电容量at1KHz<1V(PF)
2000±30%
2000±30%
-6dB指向角
80
80
2.3超声波测距原理
2.3.1超声波测距方法
超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。
相位检测法虽然精度高,但检测范围有限,声波幅值检测法易受反射波的影响。
本测距系统采用超声波渡越时间检测法。
其原理为:
检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t,这个时间就是渡越时间,然后求出距离l。
设l为测量距离,t为往返时间差,超声波的传播速度为c,则有l=ct/2。
超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
再由单机计算出距离,送12864液晶显示测量结果。
如图2.4为测距原理[4]。
图2.4测距原理
2.3.2超声波测距补偿
由于超声波也是一种声波,其声速c与空气温度有关,一般来说,温度每升高1摄氏度,声速增加0.6米/秒。
表2-2列出了几种温度下的声速。
表2-2声速与温度的关系表
温度(摄氏度)
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速(米/秒)
313
319
325
323
338
344
349
386
在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速c是基本不变的,计算时取c为340m/s。
如果测距精度要求很高,则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。
在本系统中利用STC89C52中的定时器测量超声波传播时间,利用DS18B20温度传感器测量环境温度,通过温度与声速的关系算出当前温度下的声速,从而提高测距精度。
空气中声速与温度的关系可表示为:
(2-1)
声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离:
(2-2)
如果为了进一步提高测量精度,本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计:
(2-3)
S为物体离超声波测距仪的距离。
2.4传感器位置
由于系统的传感器电路是采用超声波发射和接收分离反射型结构,所以发射头和接收头应该在同一平行直线上。
处于距离和发射夹角所引起的误差以及超声波信号在传播过程中衰减问题的考虑,发射和接收探头距离不可以太远,而又为了避免发射头对接收头接收信号产生的干扰,二者也不能间隔太近。
经过参考以往的资料以及调试时的实际情况,保持超声波发射头和接收头中心轴线平行并相距8cm即可。
本设计的超声波发射头和接收头实际相距8.1cm。
2.5盲区处理
盲区处理是超声波测距的重要技术环节,盲区范围大小是衡量测距系统性能的重要指标。
在利用超声波测量两点间的距离时,对近距离测量要求高,因此盲区处理更为关键。
盲区的形成是为解决超声波自身绕射问题而延伸出的另一问题。
虽然增大超声波换能器之间的距离能减少盲区范围,但是由于受整个系统体积所限,而且增大超声波换能器之问的距离使回波容易发散,所以本系统超声波换能器的之间距离要尽量缩小,有部分波未经反射物就直接进入到接收换能器,形成绕射现象。
2.6本章小结
本章主要介绍了超声波的原理,系统阐述了超声波的性能参数和超声波测距的各种误差,同时也叙述了超声波传感器的安装位置对测距的影响,并提出解决方案,对减少误差提出了各种补偿方案,同时对超声波盲区的问题也提供了解决方案,力图使超声波测距仪的精度更高。
第三章超声波测距仪硬件系统的设计
超声波测距仪是由超声波发射电路、超声波接收电路、液晶显示电路和时间电路、单片机系统、温度检测电路和语音报警电路等。
超声波测距仪最主要的任务就是能测出物体离超声波测距仪的距离并能通过液晶显示出来。
超声波测距仪系统总框图如图3.1所示。
图3.1超声波测距仪系统总框图
3.1超声波模块设计方案论证与比较
3.1.1超声波发射电路比较方案
(1)分立元件构成的发射电路
图3.2分立元件构成的超声波发射电路
单片机产生的是40KHZ的方波,要驱动超声波传感器必须首先对脉冲信号进行放大,然后通过超声波传感器发射超声波。
此发射电路采用PNP三级管进行信号的放大。
这样有较大的功率输出超声波信号。
图3.2即为分立元件构成的超声波发射电路[5]。
(2)由集成电路构成的发射电路
采用555构成多谐振荡器可以实现较宽范围占空比的调节,并且电路设计简单,占用面积小。
如图3.3所示,由单片机STC89C52的P2.3口发出同步脉冲信号,该同步脉冲启动多谐振荡器,使其输出40KHZ的高频电压信号,经过整形直接加至超声波换能器探头,超声波换能器根据逆压电效应,产生振动频率为40KHZ的超声波。
图3.3555构成的超声波发射电路
图3.4是由非门构成的一个振荡器发送电路,用非门构成的电路简单,调试容易。
很容易通过软件控制。
图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流,电路驱动能力提高[6]。
图3.4由非门构成的超声波发射电路
3.1.2超声波接收电路比较方案
(1)由分立元件构成的接收电路
在超声波发射传播遇到障碍物返回后,需要将超声波转换成电信号,由于转换后的电信号比较弱,所以必须经过放大,并且通过D2,D3,C3,R9组成的整形电路将接收到的回波信号转换成方波脉冲,然后再作用于单片机,使之响应外部中断子程序,并根据程序计算本次的测试距离。
图3.5为分立元件接收电路。
图3.5分立元件构成的超声波接收电路
(2)由运算放大器构成的接收电路
超声波接收处理部分电路前级采用NE5532构成10000倍放大器,对接收信号进行放大;后级采用LM358比较器对接收信号进行调整。
如图3.6运算放大器构成的超声波接收电路。
图3.6运算放大器构成的超声波接收电路
(3)CX20106构成的接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近,可以利用它制作超声波检测接收电路[7]。
图3.7CX20106构成的接收电路
以上为常用的发射和接收电路,分立元件构成的收发电路容易受到外界的干扰,体积、功耗也比较大。
而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单,可靠性好,抗干扰能力强,体积小,功耗低的优点,所以首先考虑采用集成电路来组成收发电路。
在由集成电路构成的收发电路中,发射电路我们选用由CD4049非门构成的驱动电路,接收电路采用NE5532放大电路、检波电路和LM358电压比较电路构成,主要是考虑到系统的电路简单、成本低、可靠性好。
3.2超声波发射电路设计
超声波发射电路原理图如图3.8所示。
超声波发射探头采用型号为TCT40-16R/T,发射电路主要由反向器CD4049和超声波发射换能器T构成,单片机的P1.0口输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一个电极。
用这种方式将方波信号加到超声波换能器两端,可以提高超声波的发射强度。
为使发送器得到最大的能量,CD4069采用了12V电压驱动,加在超声波发射器上的信号应为0~+12V的脉冲信号。
在暂停发送期间,电容C17和C18用于阻塞输入电流中的直流成分,起到保护超声波发射器的作用。
每路信号经过两个并联的非门是为了增加电流驱动能力。
非门采用CMOS产品,因为其功耗小,抗干扰能力强,驱动能力强。
该电路原理简单,连线方便,价格又相对便宜[8]。
图3.8超声波发射电路
3.3超声波接收电路设计
超声波接收传感器通过压电转换的原理,将由障碍物返回的回波信号转换成电信号,由于该信号幅度较小(几到几十毫伏),因此须由低噪声放大、40kHz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度,使得干扰成分较少,在此电路中,为了防止在超声波接收器上始终加有一直流信号让其工作导致传感器的寿命缩短,从而加上隔离电容C25,同时C25和R15也构成了一阶滤波电路。
在此电路中,放大部分采用的NE5532。
超声波接收处理部分电路前级采用运放芯片NE5532构成10000倍放大器,对接收信号进行放大。
当信号经过了接收放大模块电路后,其输出信号为40KHz的交流信号。
因为交流信号无法由单片机来处理,所以应将交流信号转化为直流信号。
在硬件的设计中,主要是通过检波二极管1N60和电容C31来将40KHz的交流信号转为直流信号,这样才能保证峰值检波电路将40KHz的交流信号转化成直流信号。
超声波传感器所接收到的信号经过放大和峰值检波后变为直流信号,为了判断其是否接收到的回波信号,就采用电压比较器来检测并将检测的结果输出到单片机INT0接口,同时因为比较器不需要相位补偿,故适用于高速工作。
在此电路中,超声波接收头未收到信号时,lm358比较器输出的是高电平,当超声波接收头接收到超声波信号时,经过NE5532放大,再经过检波二极管检波后输入lm358的负相端,比较器输出端输出低电平,如此就形成了下降沿脉冲信号,并输入单片机INT0中断接口,触发单片机中断[9]。
如图3.9为超声波接收电路。
图3.9超声波接收电路
3.4温度采集DS18B20模块设计
超声波声速的大小与温度是密切相关的,由物理知识可知,超声波在空气中的传播速度为
,由此可见,即温度每增加1摄氏度,超声波
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