倒车雷达超声波测距毕业设计论文.docx
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倒车雷达超声波测距毕业设计论文
济南职业学院
毕业设计(论文)
题目:
超声波测距倒车雷达设计
系部:
电子工程系
专业:
电气自动化
学号:
201208022116
学生姓名:
陈泰
指导教师:
郭振慧
职称:
讲师
二O一五年四月二日
济南职业学院
毕业论文(设计)任务书
课题名称:
__超声波测距倒车雷达设计
系部:
电子工程系
专业:
电气自动化
姓名:
陈泰
学号:
___201208022116
指导教师:
郭振慧
二O一五年四月二日
超声波倒车雷达设计
摘要
本次设计采用单片机STC89C52来控制整个超声波系统。
由单片机控制产生超声波并且控制定时器开始计时,当接收电路接收到回波时,定时器产生中断,停止计时。
信号发出到接收到回波信号所用的时间是由单片机计算完成,从而得到实测的距离。
距离显示在LED数码管上,并控制报警电路。
整个硬件电路由电源电路、按键电路、显示电路、报警电路以及超声波模块构成。
按键电路用来控制报警距离的增加或者减少,方便且实用。
本次设计具有容易控制和工作稳定等优点。
关键词:
STC89C52超声波测距
第1章前言
1.1课题研究的目的及意义
经济的发展带来社会的进步,超声波测距被频繁的用在人们的日常工作之中。
超声波拥有测量稳定、穿透能力强、易接收等特点,同时超声波测距不用接触到物体,适用于了情况比较复杂的环境。
还因为超声波测距易于控制,并且达到了所要求测量的工业指标,所以超声波测距被用于获取距障碍物的位置信息、移动机器人、汽车倒车雷达等方面的研究。
1.2超声波测距系统的国内外现状
国内超声波测距主要针对固体和液体的研究,在测距的稳定性和精确性上有了很大程度的提高。
并且随着科学技术的不断提高,超声波技术在工业的自动控制、汽车倒车系统等方面也有深入的研究。
此外在医学、生物科学等领域也有突出的地位。
国外也做了大量的研究是关于提高超声波测距。
FigneroaJ.F.,LamancusaJ.S.在计算时间方法上又有了新的突破,传播时间的获得是通过相加峰值时延和相位时延。
1.3设计的要求
设计一个超声波测距系统,距离设定一个限定值,当超声波探头与被测物体的距离小于设定值时,两者的距离显示在四位七段数码管上并开始报警。
设计主要需求如下:
(1)电路测量的距离为≤6m。
并且误差率不得超过0.03%。
(2)与被测物体的距离用数码管显示,并有报警功能。
(3)设置按键电路,能对设置的最小报警距离进行改变。
第2章系统总体方案的选择
2.1超声波的简介
我们知道,声音的发出是产生了振动。
我们知道赫兹定义为声音的振动频率,20~20000赫兹的振动频率是人的耳朵可以接收到的,高于20000赫兹的,我们定义为超声波。
超声波具有穿透性好、容易获取等特点,在医学、工业、军事、农业等方面有着巨大的研究价值。
2.2超声波测距系统原理
在超声波测距的过程中,超声波的发射端接收到的脉冲为一系列的方波。
时间间隔大小为方波的宽度,距离越远,脉冲的宽度越大。
脉冲的个数也随着测距的远近而变化。
超声波测距的方法是:
测量出输出脉冲的宽度即发出超声波到接收超声波的时间间隔t,利用公式S=1/2vt,算出被测距离。
超声波的算法设计:
X1是超声波发出的时间,X2是超声波接收的时间。
我们知道声波的传播速度为340m/s,所以被测距离L如图2-1。
图2-1测距原理
2.3方案选择
单片机
控制器
本方案选择STC89C52单片机来控制整个电路,测得的距离显示在四位数码管上,并根据所设置的报警距离开始报警。
超声波的发射信号由单片机发出并送到发射电路上,发出超声波。
接收电路由CX20106A芯片和接收探头构成。
报警电路中,电阻R15为限流电阻、晶体三级管为驱动蜂鸣器。
本设计将发射探头和接收探头分离,这样可以避免信号发生混叠干扰,从而使的测量数据更加的精确。
根据以上设计如图2-2。
单片机
控制器
数码管显示
超声波的接收
蜂鸣器报警
超声波的发射
图2-2系统框图
结合实际需求,在网上查找了相关的资料,决定选用HC-SR04超声波集成模块。
此模块发出的超声波能够测量的范围在5m到2cm之间,能够准确到3mm,它的发射角不大于15°,有利于准确的测量。
并且工作频率在39kHz~41kHz左右,完全符合本次设计的40kHz的工作频率。
由于超声波的发射探头和接收探头是放在同一水平直线上的,而且超声波信号在传播的过程中会发生衰减,所以两个探头不能距离太远。
又因为如果两个探头离的太近会产生信号的干扰,测量出来的结果会产生误差。
第3章整体硬件电路设计
3.1单片机系统电路
本次设计采用了高速、功耗低的STC89C52单片机。
这款STC89C52单片机在功能上和以前51单片机的一样,并且还扩展了功能,使得用起来更加的方便。
图3-1STC89C52引脚图
3.1.1复位电路
在单片机规格书中,有这样一段描述:
如果当RST端口持续两个周期以上的高电平,系统就会复位。
电路如下:
图3-2复位电路
在VCC供电时,RST的电压和VCC一样。
随着从C3电容的充电,RST电位开始下降,并形成一个正向的脉冲,只要脉冲宽度足够就可以实现复位。
关于RC的计算:
(3-1)
机械周期=震荡周期*12(3-2)
关于复位时间t的计算:
(3-3)
查看相关资料知道,当REST上的电压高于0.7Vcc时,就可以被看为高电平。
本次用的系统电压为5V,所以REST上超过3.5V就可以看成高电平,并且高电平的时间超过2us,单片机就可以复位。
最后计算RST的电位,复位电路为一阶RC电路,所以电压与电流有一下关系:
(3-4)
因为
;
;所以
。
设Resetpin电压为
,那么:
所以,
,
当
的时,
。
当且仅当
时,系统实现复位,并且电阻和电容RC满足条件
。
所以用R=10KΩ、C=10μF符合要求。
3.1.2时钟电路
时钟电路的两个引脚分别接入XTAL1端口和XTAL2端口。
在两个引脚之间接入一个12M的晶振,两个22PF的电容和晶振并联后接地。
电容的可以使电路更加的稳定,电路如下:
图3-3时钟电路
3.2蜂鸣器报警电路
报警电路由蜂鸣器、三极管、电阻构成。
蜂鸣器由三极管驱动。
R15为1k的电阻,作用是保护蜂鸣器。
单片机P36端口和电阻R15连接,当单片机P36口发送一个低电平到报警电路时,NPN型三极管开始驱动蜂鸣器进行报警,报警电路如图3-4。
图3-4报警电路
3.3按键电路
按键电路由三个切换开关,一个LED设置指示灯和一个限流电阻构成。
电路图3-5如下:
图3-5按键电路
按键电路的功能是:
当按下k1键位时,指示灯亮起,开始设置报警距离。
K2按下,报警距离从原来的距离开始增大,当按下K3键位报警距离开始减小。
限流电阻R14的计算:
R=(U2-U1)/I(3-5)
式中U2为提供的5V电压,U1和I分别为发光二极管两端的电压、电流。
此次设置指示灯用的是绿色发光二极管,正向压降UF为2v,工作电流IF为20毫安。
所以R14=(5-2)/0.02=150Ω。
3.4超声波发射电路
发射电路主要由5个非门组成74LS04芯片电路组成。
单片机发出的40kHz的脉冲不能直接由发射电路发出,要经过足够倍数的放大后,才能由发射探头发出。
所以74LS04反相器其实就是一个放大电路。
超声波发射电路如图3-6所示。
图3-6发射电路
R16和R17为1K的电阻,能够74LS04芯片放大的输出能力。
Vcc为整个电路提供电源。
电路工作时,单片机产生的40kHz由P0.1端口发送到发射电路,信号由74LS04芯片放大并由超发出。
3.5超声波接收电路
由于超声波在传播的过程中是有衰减的,所以在中长距离的测量中,反射回来的信号被衰减了,所以有必要进行信号的放大,放大的倍数还比较大。
查看相关资料,此次设计采用的是CX20106A芯片,此芯片具有信号放大、峰值检波、比较等功能。
芯片CX20106A电路构成了主要的接收电路,比较完信号后会产生一个低电平发送到单片机进行中断,中断以后,开始进行数据的处理。
如图3-7所示。
图3-7接收电路
3.6超声波模块
HR-SR04超声波模块包含了接收探头、发射探头、74LS04芯片放大电路和CX20106A芯片电路。
超声波模块如图3-8所示。
图3-8超声波集成模块
HR-SR04有四个连接口,分别为VCC、GND、TRIG、ECHO四个接口。
VCC:
提供5V的电源
GND:
地线
TRIG:
信号的输入端口
ECHO:
信号的输出端口
工作原理:
此模块能够发出8个40kHz的方波脉冲,并且可以自动检测有没有信号的返回。
3.7显示电路
本次设计的显示电路由四位七段数码管、三极管和三个电阻组成。
数码管由三级管来驱动,限流电阻R11、R12和R13是保护整个显示电路,如图3-9。
图3-9显示电路
LED是发光二极管的简称,八只发光二极管构成了数码管,国际上记作:
a、b、c、d、e、f、g、dp。
dp为小数点。
数码管要能够正常的显示就必须要有驱动电路来驱动,本次设计采用了动态的方式。
动态驱动的优点有:
节省了大量的I/O口,并且消耗低,所以本次设计采用动态的驱动方式,四位数码管的接线方式为共阳极的接法。
3.8电源电路
电路由一个5V电源、一个发光二极管和限流电阻组成。
发光二极管采用的是红色,作为电源指示灯,电路如图3-10所示。
图3-10电源电路
关于发光二极管限流电阻R2的计算:
能加到发光二极管两边的电压为5V,使用时要串联一个限流电阻用以保护发光二极管。
电阻R2的计算为:
R2=(E-UF)/IF(3-6)
式中的E为电源电压,UF为发光二极管的两端电压,IF为发光二极管的两端电流。
发光二极管根据用途不同,颜色也不同。
红色发光二极管的工作电压是2V。
发光二极管的电流大概为20mA,本次设计采用的是红色发光二极管。
采用的电源电压为5V,电源电压减红色二极管的两端电压就是电阻R2的电压,再用R2两端的电压除以红色二极管两端电流就能计算出R2。
所以R2=(5-2)/0.02=150Ω。
3.9系统的整体电路
图3-11系统电路图
整个系统由电源电路提供5V电源,数据由超声模块传到单片机进行处理,最后显示在数码管上并开始报警。
第4章软件部分
本次设计采用的思想是分块进行设计及编写程序代码。
程序主要分为主程序和中断程序。
主程序包括初始化单片机STC89C53、超声波的发出和接收、距离的计算、按键电路的设置、距离的显示和蜂鸣器的报警等。
4.1主程序设计
主程序是初始化单片机STC89C52,然后置1回波接收位。
同时通过端口P3.0发送一个低电平来启动超声波的发射电路,并且开启定时器T0开始计时。
这时调动计算子程序根据记录的T0时间计算距离,计算完成后,调用子程序显示距离。
与此同时,调用声音处理程序进行蜂鸣器的报警。
主程序根据反射回来的信号继续工作,如果回波标志位为0则说明成功接收到了回波信号,这时开始置位并且发送一个低电平到发射电路,就这样不停的循环,实现测距功能。
根据以上描述主程序的流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
4.2中断处理程序
负责计算距离
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