基于51單片機的超聲波測距模塊設(shè)計-資料下載頁

　　

【正文】 濾波、穩(wěn)壓后得到+5V支流電源，給單片機提供工作電源。 超 聲 波 發(fā) 生 電 路超聲波發(fā)送電路如圖35所示。該發(fā)射電路采用單片機的 口作為 IO 口，首先由單片機控制 555 定時器電路產(chǎn)生 40kHz 的脈沖振蕩信號，單片機和 555 產(chǎn)生 40kHz 超聲波，工作原理如下：NE555 的 4 端子接單片機控制其復(fù)位信號，復(fù)位信號低電平有效，NE555 工作時為高電平，該電路電源接通的瞬間，有一個穩(wěn)態(tài)的過程，即電源通過 R30 向 C17 充電當電容上的電壓上升到 2/3V 時，觸發(fā)器復(fù)位，輸出 TX 為低電平，放電 BJT Tc導(dǎo)通，電容 C17 放電，電路進入穩(wěn)定狀態(tài)；若觸發(fā)輸入端 2 施加觸發(fā)信號（即該信號1/3 V ） ,觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電路進入暫穩(wěn)態(tài)，輸出 TX 為高電平，且 BJT 的 Tc截止，此后電容 C17 充電至 2/3 V 時，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出 TX 為低電平，放電cBJT 的 T 導(dǎo)通，電容 C17 放電，電路恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略 T 的飽和壓降，則電容電壓從零電平上升到 2/3 V 的時間即為輸出電壓 TX 的脈寬c[21]。??邏輯門電路產(chǎn)生低頻調(diào)制脈沖，脈沖持續(xù)時間為160μs左右，脈沖時間間隔為3040ms(視需要可調(diào)整) 。此脈沖一路作為振蕩器的置位脈沖，另一路作為單片機計時器的起始脈沖。在置位期間，振蕩器輸出頻率為40kHz的脈沖信號(約8個脈沖)，加到壓電晶片上能使該晶片發(fā)出超聲波，由超聲波發(fā)射頭T4016發(fā)射出去。當信號為高電平時，發(fā)射傳感器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開始震動，此時接收傳感器的兩端可以檢測到有40kHz信號；當信號為低電平時，發(fā)射傳感器通過回路放電，此時接收傳感器可以接收到回波信號。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文22圖35 超聲波發(fā)射電路由于傳感器的標稱頻率是 40177。1kHz，但由于實際加工或多或少有些偏差，而只有振蕩頻率與實際頻率一致，才能最大限度地提高傳感器的轉(zhuǎn)換頻率，所以為了更準確地設(shè)計發(fā)射電路，必須確定實際傳感器的工作頻率。 超 聲 波 回 波 接 收 檢 測超聲回波接收電路如圖36所示。圖36 超聲波回波檢測電路西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文23該電路設(shè)計采用LM358實現(xiàn)第一級放大，可用提供對信號100倍的放大，然后經(jīng)過低通濾波濾除接收信號中的干擾信號，經(jīng)第二級5V 供電的LM358運放低速信號情況下的開環(huán)應(yīng)用，即等效于一個比較器。第一級放大輸出的信號是交流信號，第二，即可在輸出端輸出 05V的數(shù)字信號。其電路中電阻R27 、 R28實現(xiàn)基準分壓，電容C16用于基準退耦。電阻R30信號阻攔，電容C13隔離直流。 溫 度 補 償 電 路溫度補償電路通過DS18B20溫度傳感器測量系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度，用來減少環(huán)境溫度變化度超聲波速度的影響，提高測量精度。其電路圖如圖37所示，單片機通過一個IO口，來控制DS18B20實現(xiàn)溫度補償。由于DS18B20 有兩種供電方式，即直接供電和寄生供電，本電路采用5V電源對DS18B20直接供電，另外DS18B20 時數(shù)字信號接口，所以不需要對單片機的控制信號進行功率放大。圖37 溫度補償電路 LED 動 態(tài) 掃 描 顯 示 電 路經(jīng)過以上超聲波發(fā)射、接受、單片機數(shù)據(jù)處理后，要顯示測量結(jié)果，本設(shè)計采用LED顯示數(shù)據(jù)。單片機通過相應(yīng)的IO口實現(xiàn)測量結(jié)果的輸出顯示，這里采用4個LED來實現(xiàn)，電路如圖 38所示，74HC244用來增強單片機口線的驅(qū)動能力，驅(qū)動LED的段顯示。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文24圖38 LED顯示電路 系統(tǒng)抗干擾措施由于本設(shè)計的高頻工作特性，而且需要將微弱的電壓信號放大100倍左右，并且要從許多干擾信號中采樣出來。其現(xiàn)場作業(yè)、野外操作的使用環(huán)境亦比較惡劣，故對各種干擾信號的處理和排除一些聲學(xué)噪聲和電路熱噪聲影響的要求也就相對比較高，對此，采取了以下的抗干擾措施，效果良好。盡量采用低噪聲，抗干擾能力強的芯片、器件。IC器件盡量直接焊在電路板上，盡量不使用IC插座。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文25集成數(shù)字電路使用的電源、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用了抗干擾元件(串聯(lián)磁珠) 去耦。優(yōu)化電路設(shè)計，盡量減少信號線布線長度、不用90度折線，減少高頻噪聲的發(fā)射，用地線隔離繼電器、變壓器等大功率器件，并將其盡量分布在線路板邊緣，減少電磁干擾。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后在一點接于電源地。采用地平面技術(shù)，以使所有數(shù)字地、模擬地均直接連到完全包圍高速部件的地平面上。地平面應(yīng)盡可能覆蓋整個PCB,連到地平面的每條線盡可能短，以減少分布電感。注意了晶體振蕩器的電路布線，晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來。繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開線圈時產(chǎn)生的反電動勢干擾，在繼電器接點兩端并接火花抑制電路(RC串聯(lián)電路)，減小了電火花的影響。對單片機使用了電源監(jiān)控及看門狗電路，在速度能滿足要求的前提下，盡量降低單片機的晶振和選用低速數(shù)字電路。軟件設(shè)計上，盡量優(yōu)化、簡單的模塊化設(shè)計方案，減少了煩瑣的操作過程和復(fù)雜的邏輯處理。在采樣過程中，采用了多次采樣平均處理的方法。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文26第 4 章 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能:信號控制 在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、回波接收電路、溫度補償電路的設(shè)計。在系統(tǒng)軟件中，要完成門控信號、發(fā)射脈沖信號、溫度測試、及輸出顯示。數(shù)據(jù)存儲 為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，然后存儲在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。信號處理RAM中存儲的計數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因為計數(shù)值與實際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為: )(. NTVSr???其中，T為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時間， 為方波信號作為計數(shù)脈沖時計數(shù)器的時間分辨率，N為計數(shù)器的值。在這個部分中，信號處理包括計數(shù)值與距離值換算，二進制與十進制轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離送四位LED顯示。由于采用了單片機AT89C51并考慮整個系統(tǒng)的控制流程，整個系統(tǒng)軟件都有C51系列單片機C語言實現(xiàn)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計數(shù)值與距離值換算子程序，二進制與十進制轉(zhuǎn)換子程序后輸出顯示。整個系統(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)可以分為主程序、溫度測試子程序、測距中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等幾個主要部分。整體的軟件框架如下圖41所示： 主程序結(jié)構(gòu)主程序是單片機程序的主體，整個單片機端系統(tǒng)軟件的功能的實現(xiàn)都是在其中西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文27完成的，在此過程中主程序調(diào)用了各個子程序及中斷服務(wù)程序。如圖42所示為系統(tǒng)的主程序流程。 中斷程序中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40kHz脈沖信號遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機。在中斷服務(wù)程序中，要從把進入中斷服務(wù)程序處的計數(shù)值讀出并保存在RAM中，再對該數(shù)據(jù)進行處理，計算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進制，最后送到P0口顯示輸出。主程序測溫子程序鍵盤超聲波發(fā)生測距中斷函數(shù)顯示緩沖區(qū)接口 顯示模塊自由運行圖41 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計框圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文28開始DS18B20 溫度測試初始化定時器檢測到有鍵按下打開超聲波發(fā)射開中斷等待接收標志以溫度和定時器值計算距離計算結(jié)果送緩沖NY接收標志被設(shè)置圖42 系統(tǒng)主程序流程圖中斷程序流程圖如43所示，測距中斷函數(shù)使用高中斷優(yōu)先級的Timer1（16bit）,顯示函數(shù)使用低中斷優(yōu)先級的Timer2（16bit），Timer0用作波特率發(fā)生器。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文29外中斷讀定時器置接收標志中斷返回圖43 中斷程序流程圖 回波接收程序回波接收程序流程圖如圖44所示。圖44 回波接收程序流程圖初始化超聲波發(fā)射有回波時間大于30ms顯示特殊字符軟件濾波是回波信號讀取時間顯示YNYNN西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文30第 5 章 系統(tǒng)實驗結(jié)果分析前而幾章介紹了超聲測距系統(tǒng)模塊的設(shè)計，本章將介紹利用該超聲測距系統(tǒng)所做的實驗及對實驗結(jié)果的分析。實驗中選用被測物體為硬厚紙板，不同時刻在同一點位置測3個值，加上誤差補償之后，得到如下結(jié)果（單位為cm）。表51 測距實驗結(jié)果輸入 20 30 40 50 60 70 80 90 100 260第1次 25 29 38 48 58 70 78 88 98 212第2次 22 29 38 48 58 70 78 88 98 212輸出第3次 23 27 38 49 60 70 79 89 99 265從表51 的數(shù)據(jù)可以看出，所做的實驗是成功的，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，具有一定的可重復(fù)性。不可能完全吻合，主要有以下幾個原因：每次測量時，探頭的位置，方向有微小變動。而且環(huán)境條件不同也會得到不同的結(jié)果。盲區(qū)的出現(xiàn)是因為發(fā)射信號必須有一個上升時間，當距離太近時計算機系統(tǒng)已不能處理迅速返回的反射波信號，所以距離小于 。遠距離時，回波信號微弱，混有大量的噪聲，對門限判定造成很大干擾，易產(chǎn)生誤判。由于反射物而引起的偶然誤差，這可能是測量中最大的誤差源。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并非直線傳播，而是呈喇叭狀擴散傳播的。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于兩探頭的軸線，所以反射回來的波也許是從不同發(fā)射點獲得，測得的結(jié)果必然不相同。由于本系統(tǒng)采用了新型振動模式超聲波探頭、抗干擾電路、單片機系統(tǒng)以及合理軟件算法，使得本設(shè)計與其他儀器比較，具有一系列突出優(yōu)點：采用了國產(chǎn)的超聲波空氣傳感器作探頭，體積小，靈敏度高，安裝簡單，使用方便，轉(zhuǎn)換效率也比較高。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文31發(fā)射探頭的頻率信號來自單片機系統(tǒng)，準確，穩(wěn)定，可靠，而且可以隨時通過軟件改變頻率，以驅(qū)動相應(yīng)發(fā)射探頭。接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后，通過放大電路放大過程中，噪音干擾得到抑制，防止誤動作，提高了可靠性。采用了單片機，使系統(tǒng)體積小，重量輕，加強了靈活性和可靠性，修改、調(diào)試、定標都方便。系統(tǒng)軟件中采用合理算法，提高了精度。采用非接觸式測量方式，不影響被測表面，對液體，固體等比較光滑的表面均可測量，應(yīng)用范圍廣。另外，當使用不同反射界面的測量結(jié)果及分析 ]24[光滑硬表面：實驗表明，當使用光滑硬表面的材料，比如玻璃、水泥石灰，木板或鐵板時，測試的結(jié)果完全一致。這說明所測距離只與實際反射距離有關(guān)，而與反射面的材質(zhì)無關(guān)。泡沫塑料表面：使用同樣的傳感器反射面是泡沫塑料時，由于反射材料的吸聲特點，其測量距離大為減少。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文32結(jié)論與展望 本文通過對超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性和超聲傳感器的工作機理分析，設(shè)計了一種超聲波傳感器測距模塊，并且在此基礎(chǔ)上對超聲波傳播特性進行了探討。 本文設(shè)計了一種小型的超聲波傳感器測距模塊。 分析了影響超聲波傳感器測距模塊精度的原因，其中主要是溫度對超聲波速度的影響，并且探討了解決方案。即采用了溫度補償?shù)姆椒▉頊p小環(huán)境溫度變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。 本文完成了超聲波傳感器模塊測距的設(shè)計研究，在設(shè)計中采用了溫度補償校正的方法來減小系統(tǒng)的誤差，并提高其精度。由于時間的限制，系統(tǒng)的精度沒有做到很高，下一步可以進一步提高超聲波傳感器模塊測距系統(tǒng)的精度。 超聲波測距技術(shù)是一門交叉科學(xué)，它設(shè)計到聲學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)等，每一門學(xué)科的新發(fā)現(xiàn)都會推動超聲學(xué)的發(fā)展。新型傳感器以及大功率驅(qū)動電源等技術(shù)的發(fā)展必將使超聲的測距范圍進一步擴大，超聲測距技術(shù)將廣泛應(yīng)用于機器人或無人小車的定位系統(tǒng)、交通工具安全預(yù)警等方面。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文33致 謝感 謝 在 本 次 畢 業(yè) 設(shè) 計 中 給 我 提 供 設(shè) 計 指 導(dǎo) 的 何 宏 森 老 師 和 胡 天 鏈 老 師 。 本 文 的 全部 研 究 和 論 文 的 撰 寫 工 作 都 是 在 何 老 師 和 胡 老 師 的 悉 心 指 導(dǎo) 和 幫 助 下 完 成 的 ， 導(dǎo) 師 們知 識 淵 博 、 治 學(xué) 嚴 謹 和 其 在 機 器 人 大 賽 中 表 現(xiàn) 出 的 創(chuàng) 造 性 的 工 作 方 法 使 我 終 身 受 益 。在 完 成 論 文 期 間 ， 何 老 師 和 胡 老 師 無 論 在 學(xué) 業(yè) 上 和 生 活 上 ， 都 給 予 了 我 無 微 不 至 的 關(guān)懷 和 幫 助 ， 兩 位 老 師 誨 人 不 倦 的 師 德 及 以 身 作 則 的 作 風(fēng) 必 將 對 我 以 后 的 學(xué) 習(xí) 、 工 作和 生 活 都 產(chǎn) 生 深 刻 的 影 響 ， 在 此 表 示 崇 高 的 敬 意 和 衷 心 的 感 謝 ! 在 課 題 設(shè) 計 過 程 中 還得 到 了 機 器 人 小 組 其 他 老 師 和 吳 傳 璽 、 李 天 元 、 張 銳 等 同 學(xué) 的 幫 助 ， 正 是 在 各 位 老 師的 大 力 支 持 和 各 位 同 學(xué) 的 通 力 協(xié) 助 下 ， 我