1、浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文目录摘 要 .2引 言.4第一章 系统方案设计 .51.1 设计要求 .51.2 设计思路 .51.2.1 超声波的接收与处理 .51.2.2 身高测量算法构思 .51.2.3 硬件部分调试分析构思 .61.2.4 设计思路总结 .6第二章 设计原理及设计框图 .72.1 设计原理 .72.2 设计框图 .7第三章 传感器和电源的比较与选择 .93.1 传感器设计的方案选择 .93.1.1 超声波 T/R40-10 传感器设计电路 .93.1.2 超声波 LM1812 传感 器设计电路 .93.2 电源电路设计的方案选择 .103.2.1 采用二极管稳
2、压电路设计： .103.2.2 采用 7805 三端稳压器电源： .11第四章 系统硬件电路设计 .124.1 单片机系统及显示电路 .124.2 超声波发射电路 .144.3 超声波检测接收电路 .144.4 共阴极七段 LED 数码管 .15第五章 系统软件设计 .165.1 程序流程图 .165.2 主程序设计 .175.3 超声波发射子程序和接收中断程序设计 .175.3.1 超声波发射子程序 .175.3.2 超声波接收中断程序 .18第六章 电路调试与分析 .206.1 硬件部分调试与分析 .206.2 程序调试与分析 .20参考文献. .21附 录 .22附录 A 主要原理图 .
3、22附录 B 产品及市场成品图 .23附录 C C 语言程序 .24浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 1 页 共 27 页超声波身高测量仪摘 要:论文首先介绍了超声波测身高的基本原理，随后对几种可性的方案进行了方案论证，确定最后的设计方案，并对整个的设计方案作了详细的介绍。在此本设计中硬件设计电路主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接受电路组成。软件设计由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。本次设计用超声波良好的反射性能，采用回波测距法来实现。使用在空气中效率较高的中心频率为 40KHz 的超声波探头来完成发射与接收功能，用四位数字显示
4、以达到 1cm 的分辨率和 1-3m 的测量范围。公式如下：d=s/2=（c*t）/2 。d 为被测物与测发生器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声速，t 为声波来回所用的时间。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。关键词： AT89C52 超声波 发射 接收浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 2 页 共 27 页Ultrasonic height measuring instrumentAbstract：Paper first introduces the basic principle of ultrasoni
5、c distance measurement, then the solution of several can be carried out of the demonstration program to determine the final design, and design a whole were described in detail. In this design, hardware design of the circuit mainly by the SCM system and the display circuit, ultrasonic transmitter and
6、 ultrasonic testing to accept circuit. Software design from the main program, subroutine ultrasound, ultrasound receiver interrupt program and display routines and other parts. The design of ultrasonic sound reflection properties, the use of echo ranging method to achieve. Higher efficiency in air u
7、sing a center frequency of 40KHz ultrasound probe to complete transmit and receive functions, with four figures in order to achieve a resolution of 0.1cm and 1-3cm of the measuring range. The following formula: d = s / 2 = (c * t) / 2. d for the measured object and measuring the distance between gen
8、erator, s is the sound of the round-trip distance, c is the speed of sound, t is the sound back and forth the time spent. On this basis, the overall design of the system program, and finally achieved through various hardware and software modules. With the relevant parts of the hardware circuit, the
9、program flow chart. Keywords: AT89C52,Ultrasonic,Launch,Receive浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 3 页 共 27 页引 言超声波测身高就是利用反射特性，通过发生器不断发射出 40KHz 超声波遇到障碍物后反射会反射波，在通过接收器接收发射波信号，并将其转换为电信号。相比于其他技术，超声波定位技术体积小、成本高，制作也简易。非常适合短距离的测量定位。人体身高距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制由于超声波指向性强，能量消耗
10、缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，况且它适合与高温，高粉尘，高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。其用途极度广泛，例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等。超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人等等。单片机一般由中央处理器 CUP、存储器和输入输出 I/O 组成。自 1979 年第一台单片机诞生以来，单片机作为微型计算机一个分支，以其体积小、功能多、应用灵活等诸多优势，得到越来越广泛的应用。展望未来，超声波测身高作为一种新型
11、的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高定位更高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。本设计采用超声波在空气中运行原理设计的一种光机电一体化的身高测量仪。下面介绍本次设计的具体实现方法。浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 4 页 共 27 页第一章 系统方案设计方案设计是整个设计首要解决的问题，没有好的方案就没有好的设计。下面做本次设计方案的详细介绍。1.1 设计要求设计一个超声波测身高的作品，以空气中超声波传播速度为确定条件，利用超声波的发射与反射时间差来测量待测的身高距离。要求电路简洁，制作方便、性能可靠。测量范围不低于 13 米，测量精度为 1cm，能
12、够清晰稳定地显示测量结果，测量结果以每 1cm 往上递增，当高位为“0”时，则不显示，以达到省电的目的，当测量距离低于最小距离时，则显示最小距离“30”cm。1.2 设计思路超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。1.2.1 超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的 UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器 IC1A 和 IC1B 两极放大后加至 IC2。IC2 是带有锁
13、定环的音频译码。集成块 LM567，内部的压控振荡器的中心频率 f0=1/1.1R8C3，电容 C4 决定其锁定带宽。调节 R8 在发射的载频上，则 LM567 输入信号大于 25mV，输出端 8 脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。1.2.2 身高测量算法构思超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当遇到被测物体后阿佘回来。被接收器所接收到。发出超声波信号到接受到返回信号所用的时间，就可以算出超声波发生器与反射物体的距离。公式如下：d=s/2=（c*t）/2 。d 为被测物与测发浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 5 页 共 27 页生器的距离，s 为声波的
14、来回路程，c 为声速，t 为声波来回所用的时间。1.2.3 硬件部分调试分析构思在硬件方面将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，从而提高抗干扰能力。声波发射和接收采用 15 的超声波换能器 TCT40-10F1（T 发射）和 TCT40-10S1（R 接收），中心频率为 40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 48cm 。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。在软件方面根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为 1m3m，测距仪最大误差不超过 1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使
15、其达到实际使用的测量要求。同时可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。由于采用的电路使用了很多的集成电路。对集成电路有很大的要求，对元器件方面五特别的要求。因为外围的元器件不是很多，所以在调试方面应该不会出现很大的问题，但在焊接方面需要留心，最好无误。1.2.4 设计思路总结由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远，因而超声波可以用于距离的测量。比如本次身高的测量。超声波测身高的原理一般首先测出超声波从发射到遇到人体头部返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与人体头部之间的距离。超声波发生器可以分为两类：一类是用电气
16、方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。利用超声波检测身高，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒，由单片机负责计时，单片机使用 12MHz 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。根据设计要求并综合各方面因素，可以采用 AT89C52 单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 6 页 共 27 页第二章 设计原理及设计框图2.1 设计原理该原理是主
17、要利用超声波在空气中的传播速度为已知。根据测量声波发射到反射回来的时间差计算实际身高距离。由单片机系统及显示电路、超声波发射和检测接收电路三部分组成。采用AT89C52 来实现对 CX20106A 红外接收芯片和 TCT40-10 系列超声波转换模块的控制。单片机发出信号，经过放大输出，经过锁相环检波处理，气动单片机的中断程序，测得时间 t，同时对系统软件进行分析、辨别、计算,得出数据，用动态扫描法实现 LED 显示结果。超声波的驱动信号用单片机的定时器完成。单片机通过 P1.0 引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0 引脚，当 INT0 引脚的电平由高电平变为低电平时就
18、认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离 S。设其往返时间为 t，速度为 v，则得距离为 s=vt/2 。传感器通过声波的波长和发射声波以及接收到返回声波的时间差就能确定人的身高，在发送脉冲的同时，接收器的计数器启动并开始计数，直到接收传感器接收反射回波后，计数停止，该时间差相当于测量的距离，从而测算出人体的身高。2.2 设计框图由单片机产生 40KHz 左右的脉冲并输出，经调制器将脉冲信号放大和振荡器振荡后，由超声波发射器发射出超声波，遇到障碍物返回被超声波接收器接收到后，经过接收检测装置对接受信号进行处理和计时器计时后，由单片机
19、计算超声波发射器到障碍物之间的距离，并将计算结果由显示器显示。为此设计了超声波测身高原理框图如下（图 2.1）:浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 7 页 共 27 页超声波发射器放大电路 放大电路单片机控制LED 显示扫描驱动 锁相环检波超声波接收器定时器图 2.1 超声波测身高原理框图浙江商业职业技术学院 2011 届毕业论文第 8 页 共 27 页第三章 传感器和电源的比较与选择3.1 传感器设计的方案选择超声波测身高设计电路主要由电源电路、单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接受电路组成。下面方案选择具体介绍。3.1.1 超声波 T/R40-10 传感器设计电路电
20、路主要由以下电路构成：超声波传感器 T/R40-10、超声波发射与接收构成的收发电路；中央控制处理器 AT89C52 组成的主机电路；输出显示电路等。它是一种性能优良的发射与接收配对的传感器。该电路主要用电磁式输出与输入振荡电路，所输入的信号经过放大，直接发送到单片机 AT89C52 单片机进行处理，通过编程可以进行自动控制。该电路的主要特点有： 该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单，不需要布线直接通过发射模块进行无线发射。因此体积小。 该电路的测量精度很高，能在 TA = +25oC、U CC = +5V 的条件下，测量误差不超过 2cm。3.1.2 超声波 LM1812
21、 传感器设计电路电路采用 LM1812 并有时基电路来控制 LM1812 的发送与接收（LM1812 即发送又接收） 。控制距离可用 5 千欧的电位器来调节。LM1812 是一种性能优良，且既能发送又能接收超声波的通用型超声波集成器件。芯片内包括：脉冲调制 C 类振荡器，高增益接收器，脉冲调制检测器及噪音抑制器。它除了可用于遥控器、报警器、自动门控制及通信方面外，还可用于工业上的料位或液位的测量与控制、测距及测厚等方面，应用广泛。采用 LM1812 的特点有：（1）检测器输出可驱动 1A 的峰值电流（2）器件内部有保护电路（3）在电路中使用时不用外接晶体管驱动浙江商业职业技术学院 2011 届
22、毕业论文第 9 页 共 27 页（4）使用时不用外接散热器（5）器件具有互换性（6）可以使用一个发送/接收换能器工作，也可使用两个换能器分别发送和接收超声波（7）发送功率可达 12W（峰值）所以此方案响应速度慢，抗干扰能力相对较弱，外围电路相对较复杂。通过以上方案的分析，决定根据方案一作为设计方案。无论是在性能、特点、还是电路材料上，或者是在原理图上、设计上等都具有简单、使用性强等特点。32 电源电路设计的方案选择电源系统通常由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路等构成。各种电子线路均需要直流电源来供电，而电网能提供给我们的电源却是交流的，这就需要有一个转换电路把交流电压变成比较稳定的直流
23、电电压。电源变压器将电网提供的交流电压变换到电子线路所需的交流电压范围，同时还可起到直流电源与电网的隔离作用，可升压也可降压。实现这种功能的电路就叫直流稳压电源，简称直流电源。下面方案选择具体介绍。3.2.1 采用二极管稳压电路设计：在图 3.1 中，稳压二极管的稳压值为 5.1V，即当 D1 阴极加电压超过 5.1V 时，二极管阴极电压就会保持 5.1V 不变。在电路中 R1 的作用是限流，这是由于 D1 阴极电压超过 5.1V 稳压值后，稳压二极管被反向击穿，流过 D1 的电流将迅速增大，此时 R1 上的电压也会随之而增大，以保证稳压管功耗限制在安全区内。此时即使输入电压在一定的范围增加，输出端都会保持稳定电压。但若反向电流增大到一定数值后，稳压二极管则会被彻底击穿而损坏。电路如图 3.1 所示，该电路是用硅稳压二极管的反向击穿特性实现稳压的。不过该电路设计现在应用不广泛，一般都采用集成稳压电路，所以此方案不选用。R1 270D 1+-+-Vi Vo
