1、学生姓名：,设计课题:超声波测距仪,设计任务与要求,任务： 了解超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，以AT89S51单片机为核心做出低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计。 要求： 电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面尽可能达到工业实用的要求。,总体设计,由单片机AT89S51编程产生40kHz的方波，由P3.6口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回
2、来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图1-1所示。 单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。,功能模块入选
3、方案介绍,方案一：基于单片机的超声波测距系统 基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示1。 利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便
4、，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。方案二：基于CPLD的超声波测距系统 这种测距系统采用CPLD器件，运用VHDL编写程序，使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。 CPLD器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D触发器、T触发器、RS触发器或JK触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由MAX来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。 本系统利用CPLD器件控
5、制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在LED上显示出来。配合使用MAX+plusII开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短超声波发射器向某一方向发射40kHz的超声波，在发射超声波的同时，MAX7128S内的计数器开始计数。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到CPLD，CPLD立即停止计数。CPLD所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。超声波在空气中的传播速度如设定为332m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=332t/2
6、。CPLD开始计数后，只要传感器收到回波，CPLD就立即停止计数，即只有最先返回的超声波才起作用，也就是说超声波测距仪总是测得离传感器最近的物体的距离2。 本系统采用先进的CPLD器件，高性能、低成本地实现了距离的测定。,功能模块方案选择,方案确定：基于单片机的超声波测距系统 选定方案描述： 发射电路的设计 由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。 接收电路的设计 超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经
7、过放大。本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大。 超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传感器的中心频率，即40kHz。该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。LM741是一单运放集成芯片。 显示模块的设计 LED 有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。 八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。,硬件电路设计,MCU:本系统所用的是Atmel公司生产的AT89S51，它是一个低功耗，高性能CMOS 8
8、位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。18B20:DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 7
9、4HCO4：6个独立的反相器,放大电路信号。UA74LCN: 单运放集成芯片 ，对接收到的信号放大。,主程序和主要子程序流程图,(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。,程序,#include sbit WAVE=P37; sbit SIGNAL=P33; typedef unsigned char UINT8; typedef unsigned int UINT16;void Delay1(UINT16 i) while(i-); void Delay2(UINT16 t) UINT16 i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j113;
10、j+); main() IE=0x8A; /开启两个定时、计数器TMOD=0x15;TH1=0xFF;TL1=0xF5;/定时12.5uS，用以产生40kHZ的方波while(1)TR1=1;TR0=1;Delay1(2); /延时300uS，则最小测量距离为5cmEX1=1; /开启外部中断Delay2(120);,安装与调试,通过多次实验，对电路各部分进行了测量、调试和分析。 首先测试发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个40kHz的方波信号，峰-峰值为3.8V。经过发射电路后，其信号峰-峰值放大到10V左右。 40kHz的方波驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波
11、接收头接收到40kHz的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。 该测距电路的40kHz方波由单片机编程产生，方波的周期为1/40ms，即25s，半周期为12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于12M晶振的单片机的时间分辨率是1s，所以只能产生半周期为12s或13s的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。,使用说明,本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至
12、接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口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子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给LED显示。,心得体会,超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工作原理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用Atmel公司
13、生产的AT89C51芯片。驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC04六反向器，通过它对单片机产生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LED显示部分采用的是静态扫描方式，并用单片机软件译码。单片机内部采用C语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。 本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从20cm到200cm，测量精度在10cm内。测距系
14、统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。 总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。,参考文献,1.刘凤然.基于单片机的超声波测距系统.传感器世界.2001,5:29-32 2.葛健强.基于CPLD的超声波测距仪研制. 无锡商业职业技术学院学报.2004
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