带温度补偿的超声波测距系统设计.docx
- 文档编号:8891245
- 上传时间:2023-02-02
- 格式:DOCX
- 页数:15
- 大小:664.95KB
带温度补偿的超声波测距系统设计.docx
《带温度补偿的超声波测距系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《带温度补偿的超声波测距系统设计.docx(15页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
带温度补偿的超声波测距系统设计
南通大学
传感器与检测课程设计(预习)报告
项目带温度补偿的超声波测距系统设计
班级:
姓名:
学号:
联系方式:
学期:
2015-2016-2
前言3
一•课题调研3
1.1传感器选型3
1.1.1可选温度传感器DS18B203
1.1.2可选用AD590温度传感器4
1.2超声波传感器5
1.2.2选用MAX232芯片做发射电路7
1.2.3超声波发射电路8
1.2.4超声波接收电路10
1.2.5选用TL074芯片作为接受电路11
1.3多种实现方法。
12
1.3.1方法一:
系统结构框图12
1.3.2工作原理12
1.3.3方案二:
系统结构图如下。
13
二.总体设计14
2.1电路图14
2.1.1超声波模块电路14
2.2.1主程序设计。
19
、八、、》
刖言
以AT89S51单片机为核心,设计了一种带温度补偿的超声波测距系统。
系统包括单片机、超声波发射及接收模块、温度补偿模块、信息显示模块。
温度补偿模块采用温度传感器DS18B20采集环境温度,根据超声波速度与温度值的对应关系及时修正波速,以纠正温度的变化引起超声波测距系统产生的误差。
一.课题调研
1.1传感器选型
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的,因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器
的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
1.1.1可选温度传感器DS18B20
由于声音的速度在不同的温度下有所不同,因此为提高精度,应
通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正。
系统采用DS18B20
传感器测量温度,DS18B20温度传感器具有不受外界干扰、精度高、测温范围宽等优点。
单片机口接DS18B20数据总线,控制
DS18B20进行温度转换和传输数据,数据总线接10kQ的上拉电
阻,作用是使总线控制器在温度转换期间无需一直保持高电平。
cc
1・1・2可选用AD590温度传感器
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路,广泛应用于不同的温度控制场合。
由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好,常用于测温和热电偶的冷端补偿。
AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。
因为流过AD590的电流与热力学温度成正比,当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kQ时,输出电压V。
随温度的变化为1mV/K但由于AD590的增益有偏差,电阻也有误差,因此应对电路进行调整。
调整的方法为:
把AD590放于冰水混合物中,调整电位器R2使Vo=273.2mV或在室温下(25°C)条件下调整电位器,使Vo=273.2+25=298.2(mV。
但这样调整只可保证在0C或25C附近有较高精度。
AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器,输出数字量送给单片机进行温度控制。
通过查阅资料与比较分析可得:
AD590需要和高精度ADC配合
使用才能得到数据,优点是速度快,编程简单,缺点是是需要校准,电路复杂,成本高。
DS18B20呆证精度足够,电路简单成本低,但是编程复杂,转换速度慢,但关键的是DS18B20生价比高,如果广泛选用,所带来的社会效应比较好,有利于环保节能。
综上所述:
由于DS18B20各温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一个芯片,与单片机连接简单、方便,与AD590
相比是更新一代的温度传感器,DS18B2C不需要AD转换,精度高,电路简单且成本低,可行性好,经济性好,所以选用DS18B20
1・2超声波传感器
1.2.1超声波传感器HC—SRF04。
选用HC-SR04集成发射与接收HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,其结构简单,使用单片机控制电路简单容易,而且价格便宜。
该模块包括超声波发射、接收与控制电路。
发射电路主要由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射头T40组成,接受电路主要由TL074
运算放大器及超声波接收探头R40组成。
实物如图如下
超声波发射电路
超声波接受电路
1.2.2选用MAX232芯片做发射电路
MAX232芯片是美信(MAXIM)公司专为RS-232标准串口设计的
单电源电平转换芯片,如图所示,使用+5v单电源供电。
MAX220-
MAX249系列线驱动器/接收器,专为EIA/TIA-232E以及V.28V.24通信接口设计,尤其是无法提供士12V电源的应用。
MAX232…0DW.N’ORNSPACKAGE
MAX232I…D*DW.ORNPACKAGE
(TOPVIEW}
ci+[
T7
1
16
1vcc
vs+i
2
15
)GND
C1~|
3
14
jT1OUT
C2+|
4
13
jR1IN
C2-[
5
12
jR1OUT
Vs-I
6
11
)T1IM
T2OUT|
pl
10
|T2IN
RSNI
g
jR2OUT
发射电路如图
1.2.3可选用TCT40-16T和一支超声波接收传感器TCT40-16R。
TCT40-16T可以发40kHz左右的方波脉冲信号。
信号由单片机端口提供,由于单片机端口输出功率不够,40kHz方波脉冲信号需经功率放大以便使发射距离足够远,满足测量距离要求。
TCT40-1®作接
收传感器,经LM358放大后进入LM567进行锁相环检波。
当LM567的引脚输入合适的信号时,其引脚产生一个负跳变,在编程时将外部中断0的中断触发方式设置为下降沿触发,就可以通过INTO产生一个外部中断申请,由CPU来检测并理。
1.2.3超声波发射电路
74LS04是德州仪器生产的六反向器,总共有14个引脚,引脚
1A~6A是输入端,引脚1Y~6Y是输出端,另外还有两个分别是电源的正负Vcc和GND端
Vcc
|11||1
L3|12|
1
11
|10
|9
||8
4>
■
■S
>
・
>
11|1
2||3
11
|4
||5
||6
11?
1
GND
电源电压Vcc的允许范围是4.75V~5.25V输入高电平电压最小值是2V,输入低电平电压最大是0.7V,输出高电平的时候电流时400,输出低电平的时候电流是8mA,输出由低到高或者由高到低的传输时间最大时15ns。
超声波发射电路利用单片机AT89C51的P3.
端口发射40kHz的方波,通过芯片74LS04六反向器来驱动超声波传感器来发射超声波。
该测距电路的40kHz方波信号由单片机的
P3.5发出,方波的周期为1/40ms,即25s,半周期为12.5s。
每隔半周期时间,让方波的输出引脚电平取反,便可以产生40kHz的方波。
因为我们的单片机采用的晶振是12M的,单片机的时间分辨率是
1s,所以只能产生半周期为12s或者13s的方波信号,频率分别是41.67kHz和38.46kHz本系统选择了后者,让单片机产生38.46kHz的方波。
级反向后送到超声波发射传感器的一个电极;另一路经过二级反向后送到超声波发射传感器的另外一个电极。
利用这种推挽的方式把方波信号加到超声波发射传感器的两极,这样的方式能增强超声波的发射强度,另外输出端采用两个反向器并联的方式来增强系统驱动能力,两个上拉电阻一方面可以提高反向器的驱动能力,另一方面可以增加
超声波传感器的电气阻尼效果,大大缩短电气振荡的时间。
1.2.4超声波接收电路
CX20106A采用8脚单列直插塑料封装,主要由以下几个部分组成前置放大器,限幅放大器,带通滤波器,检波器,积分器和整形电路,CX20106A在输入微弱信号的时候,前置放大器具有很高的增益,而在输入强信号的时候又不会过载。
内部的滤波器中心频率可以由其引脚5外接电阻进行调节,范围可以从30kHz~60kHzCX20106A的工作过程如下:
前置放大器把超声波接收传感器检测到的微弱
电压信号进行放大,电压增益约为80dB,然后将放大后的信号送给限幅放大器,使其转变为矩形脉冲,再由滤波器进行频率选择,消除干扰信号,然后经过整形后,由其引脚7输出低电平。
1.2.5选用TL074芯片作为接受电路
TL074芯片是四运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源供电工作模式,在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。
他的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器。
H074芯片结构如图3
14
|4OUT
1
2
13
3
12
41N+
4
11
1VCC-
6
10
|3IN+
6
9
3IN-
?
8
I3OUT
'OUT[
1IN[
1IN+[^IN+[
2IN-[2OUT[
接受电路如图所示:
综上所述:
选用TL074芯片作为接受电路,选用MAX232芯片做发射电路。
但是由于学校器件选购不合适等等原因,最终选择集发射和接受为一体的HC-SR04编程简单,可行性好,经济性也好,是很
好的选择。
1.3多种实现方法。
1.3.1方法一:
系统结构框图
1.3.2工作原理
系统工作原理和功能本系统工作时,由单片机提供40kHz的脉冲信号,经放大后通过超声波发射器输出。
超声波在空气中传播,在到达被测物体时被反射回来,由超声波接收器接收。
当超声波接收器接收到反射波时,先经放大器放大,用锁相环电路检波处理后产生一个负跳变,在INTO产生一个中断请求信号,单片机响应外部中断请求,执行外部中断服务程序。
单片机在启动发射电路时同时启动单片机内部的定时器T0,利用定时器记录超声波发射的时间和收到反射
波的时间。
在外部中断程序中读取时间差,计算距离。
其中温度补偿
环节为:
温度补偿环节,设超声波速度为V,往返时间为t,温度为T,
v=331.5+0.61T距离为速度除以二可得。
1.3.3方案二:
系统结构图如下
接口向触发引脚发送》10卩s的脉冲触发信号,该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波,一旦检测到有回波信号,则3脚输出回响信号,所测的距离与回响信号的脉冲宽度成正比,由此可通过发射信号到收到回响信号的时间间隔计算得到距离。
超声
波时序图
10lls^TTL
输出回
响信号
回响电平输岀与检测距离咸比例
综上所述:
由于元器件的限制,最终选择第二种设计方案,同时,第二种方案,方便简单可行性高,同时经济性好,对社会环境影响小,所以选择第二种方案,有利于低碳环保可持续发展。
二.总体设计
2.1电路图
2.1.1超声波模块电路
HC-SR04
屜声波测距模块
TL074接受电路
MAX232发射电路
温度检测电路
DS18B2O
Vcc“JCND
]i)kU
o
2
7
o
a
»1
SS8
―L
2
3
1
1
P
ai-To!
rn事
瓦i
2
lcdmled和引蔣m
RS
(■
1
O
2
EN3
%
4
PN
5
叮
F~
7
儿
H
ID
P〕i
]|
r.
]2
r\,
IJ
14
15
16
PLATE
17
A;18
「19
HST
5.
RXDTXDINTO
IYT1TO
11耐
RD
PM2
P,/I'3FX
HE5T
旳
JN
?
■
iL
GM)
—pEA/VP
ALE/P
PSEM
T7
匸
巴
"Z
KPI
9
B
7
6
in
2.2.1主程序设计
加入温度传感部分
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 温度 补偿 超声波 测距 系统 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)