畢業(yè)設(shè)計(jì)-超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(完整版)

　　

【正文】 法，在繞射波有效階段封閉 CPU中斷申請(qǐng)，躲避有效干擾。在軟件編寫的動(dòng)態(tài)改變發(fā)射功率時(shí)可以作參考。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。 1. 液體中的縱波聲速： （ ） ： （ ） 式中： K體積彈性模量 熱容比 P靜態(tài)壓力 ρ 密度 例： T=0 176。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 常用的超聲波傳感器的諧振頻率（即中心頻率）為 23KHz ，40KHz,75KHz,200KHz,400KHz等，諧振頻率高，在相同發(fā)射功率的前提下檢測(cè)距離短，但分辨力提高。根據(jù)圖 過測(cè)量發(fā)射與接受裝置之間的距離 h 利用直角三角形可求得： （ ） 而所測(cè)距離是聲波傳輸距離的一半，即 :(1) （ ） 2*tVL ?? ?22 2hSL ??南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 收發(fā)一體式換能器工作原理圖 圖 超聲波測(cè)距原理 在上式中， L 為待測(cè)距離， v 為超聲波的聲速， t 為往返時(shí)間（其中所測(cè)量的t為超聲波走過 2s路程所需的時(shí)間。實(shí)現(xiàn)的方法是當(dāng)回波信號(hào)經(jīng)放大處理后，進(jìn)入比較器，調(diào)整好合適的閾值在比較器的輸出端就會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電平的變化，再通過三極管的截止和飽和的兩種狀態(tài)來產(chǎn)生高低電平的變化。 在超聲波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)中，首先通過軟件編程的方式由單片機(jī)的 生 40KHz的脈沖信號(hào)，再經(jīng)過三極管 8050和變壓器進(jìn)行功率放大。但是采用 555芯片來產(chǎn)生 40KHz的超聲波信號(hào)，并且通過單片機(jī)的一個(gè) I/O口來控制 555芯片是否振蕩。當(dāng) ，555芯片不工作；當(dāng) ， 555芯片構(gòu)成了多諧振蕩器從而在 3腳輸出40KHz的脈沖信號(hào)。 方案確定 超聲波測(cè)距系統(tǒng)從理論上說是發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一只發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對(duì)于接收電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。 在方案二中，通過使用單片機(jī)的 I/O口來控制 555芯片工作與否的方式來發(fā)射超聲波，這就使得在計(jì)數(shù)時(shí)能夠獲得比方案一更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過綜合考慮和比較后，最終采用了方案三來實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖 為 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，復(fù)位端 4由單片機(jī)的 口控制，當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，電路停振；當(dāng)單片機(jī)給高電平時(shí)電路起振。通過調(diào)節(jié)電位器 R3 的阻值，使其輸出波形的頻率為 40KHz，這樣就完成了超聲波產(chǎn)生電路。非門采用 CMOS 產(chǎn)品，因?yàn)槠涔男。垢蓴_能力強(qiáng)， 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) 。在此電路中，根據(jù)同相放大器的閉環(huán)增益公式： () 因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)幅度為幾到幾十毫伏，所以需要將其放大 400多倍使得其接收到的40KHz信號(hào)不會(huì)被干擾信號(hào)給掩蓋。同時(shí)要求其放電時(shí)間Г 2 ≥ 25us，這樣才能保證峰值檢波電路將 40KHz 的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)。在此電路中，采用 TL084 中的其他兩個(gè)運(yùn)算放大器。 圖 電壓比較電路 圖 電平轉(zhuǎn)換電路 32 5 0 .5 m A1 0 1 0I ???南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 溫度測(cè)量模塊 在常溫下 ， 超聲波的傳播速度為 340m / s， 但其傳播速度 V易受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響 ， 其中溫度的影響最大。 DS18B20是 Dallas公司開發(fā)的 12W ire (單總線 )高精度數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器 。 ℃ ， 增量值最小可為 ℃ ， 電源供電范圍 ～。如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2計(jì)數(shù)到 0時(shí) ， 停止溫度寄存器值的累加 ， 此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。本系統(tǒng)對(duì)DS18B20采用外部供電 ， 從 VDD引腳接入一個(gè)外部電源。執(zhí)行該指令后，芯片所處的狀態(tài)與系統(tǒng)上電后所處的狀態(tài)一樣。與其它指令不同，此命令的前一個(gè)字節(jié) 00010101B 為微控制器傳送到 HD7279A 的指令 ，而后一個(gè)字節(jié) d0d7 則為HD7279A 返回的按鍵代碼，其范圍是 03FH(無鍵按下時(shí)為 OxFF)。 帶有數(shù)據(jù)的指令，寬度為 16 個(gè) BIT，即微處理器需發(fā)送 16 個(gè) CLK 脈沖。電阻均不能省去。 HD7279A 的 RESET 復(fù)位端在一般應(yīng)用情況下，可以直接與正電源連接，在需要較高可靠性的情況 下，可以連接一外部的復(fù)位電路，或直接由 MCU(單片機(jī) )控制。 注意：如果有 2 個(gè)鍵同時(shí)按下， HD7279A 將只能給出其中一個(gè)鍵的代碼，因此HD7279A 不適于應(yīng)用在需要 2 個(gè)或 2 個(gè)以上鍵同時(shí)按下的場(chǎng)合。在調(diào)好了超聲波產(chǎn)生電路后，用示波器觀察超聲波傳感器發(fā)射端的波形，發(fā)現(xiàn)其兩端的波形的頻率為 40KHz。檢測(cè)各點(diǎn)的信號(hào)，發(fā)現(xiàn)超聲波接收器沒能接收到信號(hào)。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 距離計(jì)算流程 在硬件設(shè)計(jì)過程中，將計(jì)數(shù)脈沖寬度設(shè)計(jì)為 10us。 2021tvL? （ ） 軟件調(diào)試 在軟件程序的設(shè)計(jì)過程中，采用分模塊設(shè)計(jì)及調(diào)試的方式。其中定時(shí)器 T1 設(shè)置為外部計(jì)數(shù)方式，外部計(jì)數(shù)脈沖為單片機(jī)的 ALE 信號(hào)。 在確定硬件的設(shè)計(jì)無誤后，再次將軟件和硬件結(jié)合起來，通電后發(fā)現(xiàn)電路仍然不能正常工作。然后再次通電運(yùn)行，發(fā)現(xiàn) T1 計(jì)數(shù)器能夠計(jì)數(shù)并且其計(jì)數(shù)范圍為 0～ 65535 之內(nèi)。如超聲波的產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)電路、接收放大電路、峰值檢波電路和電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及制作。但是，考慮超聲波測(cè)距系統(tǒng)的成本要求低 (成本過高很難有實(shí)際應(yīng)用 )、體積要小，因此目前很難用上較昂貴的高級(jí)芯片，在 成本較低的單片機(jī)上編程，除了完成眾多功能外，要使用數(shù)字濾波等復(fù)雜算法編程，還要考慮時(shí)間響應(yīng)快的因素，將是一個(gè)挑戰(zhàn)。 附錄 A 。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 參考文獻(xiàn) [1] 潘宗預(yù)，潘登 .超聲波測(cè)距精度的探討 [J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2021，（ 06） . 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