高精度超聲波測距儀的設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 一定的余振，因此在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅電路，引起探頭振動，不能進(jìn)行正確的測量。同時，探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的液面反射信號也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)液面離探頭越來越遠(yuǎn)時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值相應(yīng)的越來越小。同時，接收信號的衰減程度總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，不能能有輸出信號。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問題。而使用雙探頭方式[15]，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。在本次設(shè)計中，選取雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離。 提高測距儀性能的方法要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速C必須恒定，實際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。對一定介質(zhì)，通常采用對溫度進(jìn)行修正的方法[16]，可以測得比較準(zhǔn)確的距離。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實際環(huán)境，根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系計算出測量時實際環(huán)境中的聲速。空氣中聲速C與溫度T的關(guān)系在常溫下可由下面近似公式表示: (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震(拖尾)減少，此法常用于距離測量距離。(2)采用自動距離增益控制采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時間縮短，可以分出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信號的幅增大，以提高測量的精度。(3)信噪比問題超聲波測距儀都有確定的量程。量程主要決定于接收信號的幅值應(yīng)大于規(guī)定闡值。這個閉值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀一樣，另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時要求對環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 超聲測距系統(tǒng)的主要參數(shù). 傳感器的指向角傳感器的指向角是聲束半功率點的夾角，是影響測距的一個重要技術(shù)參數(shù)，記為θ，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長元λ，傳感器半徑r有關(guān)。由 選f=40Khz時，λ=C/f=。當(dāng)f選定后，指向角θ近似與傳感器半徑成反比。指向角θ愈小，分辨率愈高，則要求傳感器半徑愈大。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑。r=。 測距儀的工作頻率空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的上作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在40KHz[5]。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。 聲速聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度，傳播介質(zhì)中聲速的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為[17]： 式中，T是溫度，將由溫度補(bǔ)償電路修正。 發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利，但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。 測量盲區(qū)[18]在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進(jìn)入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下: 輸入電壓對超聲信號的影響關(guān)系圖如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振(由于機(jī)械慣性作用。因此，在一段較長時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平。另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值，亦即接收信號的幅值必須大于這一閩值才能使接受放大器有輸入信號。，從b點以后，接收的信號低于閾值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中A點以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨從c點以后，發(fā)射信號低出閩值鱺，接收信號才基本擺脫發(fā)射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時，把oc這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此，cb為可測距范圍。b點就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到的區(qū)域。第三章 超聲波測距系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 概述本章以及下一章將詳細(xì)介紹本次設(shè)計的具體細(xì)節(jié)。下面兩圖是這次設(shè)計的整體硬件結(jié)構(gòu)圖和整體電路圖。 硬件結(jié)構(gòu)圖 整體電路圖整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路，語音播報電路和溫度補(bǔ)償電路等幾部分模塊組成。單片機(jī)控制發(fā)射模塊發(fā)出40kHZ的超聲波信號并開始記時，通過超聲波發(fā)射器輸出超聲波信號；超聲波接收器將接收到的超聲波返回信號送至接收模塊，經(jīng)處理后，送至中斷信號至單片機(jī)，單片機(jī)啟動中斷程序，測得時間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計算和修正，得出距離數(shù)并送LCD顯示。顯示內(nèi)容包含當(dāng)前溫度值和所測距離。如下圖所示： 顯示示意圖:其中溫度單位為“攝氏度”，距離單位為“米” 各功能模塊介紹設(shè)計[19]AT89S52簡介： AT89S52實物圖AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 AT89S52引腳分布圖AT89S52芯片共40引腳:1~8腳: 通用I/~9腳:RST復(fù)位鍵10 ~11腳:RXD串口輸入 TXD串口輸出12~19:I/O p3接口 (12,13腳 INT0中斷0 INT1中斷114~15 : 計數(shù)脈沖T0 T1 16,17: WR寫控制 RD讀控制輸出端)18~19: 晶振諧振器 20 地線21~28 p2 接口 高8位地址總線29: psen 片外rom選通端 單片機(jī)對片外rom操作時 29腳(psen)輸出低電平30:ALE/PROG 地址鎖存器31:EA/ROM取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取32~39:~40:電源+5V電路設(shè)計：單片機(jī)正常工作時，都需要一個時鐘電路和一個復(fù)位電路來構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時所需的時鐘信號，其有兩種時鐘方式：外部時鐘和內(nèi)部時鐘。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片單片機(jī)同時工作，以便于同步。本設(shè)計只有一片單片機(jī)，采用內(nèi)部時鐘方式。AT89S52內(nèi)部有一個可控制的負(fù)反饋反向大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、快速性以及溫度穩(wěn)定性。出于對測距精度的考慮，本設(shè)計采用12MHZ的晶體振蕩器[20]，c1和c2的電容值約為30PF。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要RST引腳出至少保持兩個機(jī)器周期的高電平就可以實現(xiàn)復(fù)位。在RST端出現(xiàn)高電平后的第二個周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個周期重復(fù)一次，直至RST端變低。單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位。本設(shè)計采用手動復(fù)位方式。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時，電容迅速放電，使RST端迅速變?yōu)楦唠娖剑瑥?fù)位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使RST端恢復(fù)低電平。單片機(jī)的基本的連接電路如圖所示： 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 發(fā)射模塊MAX232EPE簡介： MAX232EPE實物與引腳分布圖第一部分是電荷泵電路。由6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和12v兩個電源，提供給RS232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由11114腳構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。電路設(shè)計：超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，為了節(jié)省成本，本次設(shè)計采用了后者。由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，故需要通過發(fā)射模塊來實現(xiàn)推動超聲波發(fā)射探頭工作的效果，（）輸出脈沖信號至發(fā)射模塊，發(fā)射模塊隨即控制超聲波發(fā)射器TCT40－16T以將超聲波發(fā)射到空氣中。超聲波發(fā)射電路如下圖所示： 發(fā)射模塊電路圖 接收模塊CX20106簡介： CX20106實物圖CX20106A的引腳注釋：l腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=，C=。3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率≈38kHz。6腳： 該腳與GND之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8腳： 電源正極，～5V。電路設(shè)計：TCT40－16T發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，返回的部分有超聲波接收器接收。超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到，超聲波接收換能器TCT40－16R將接收到的反射波轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、(INT0)引腳（），以產(chǎn)生一個中斷。在這里我采用的是集成電路CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。超聲波接收電路如下所示： 接收模塊電路圖 語音播報模塊SD1420簡介： ISD1420實物與引腳分布圖ISD1420是美國ISD公司出品的新型單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路，較之以往所有的語音電路，具有專利技術(shù)的模擬處理存