52單片機(jī)超聲波測(cè)距畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-文庫吧
2025-06-13 07:46 本頁面
【正文】 維圖像。向在線自動(dòng)檢測(cè)和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測(cè)試技術(shù)取得突破進(jìn)展。 超聲測(cè)試技術(shù)和材料的物性評(píng)價(jià)相結(jié)合，材料的設(shè)計(jì)、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展[1]。因此超聲波在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用非常廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波被應(yīng)用在金屬材料和部分非金屬材料探傷，鋇口厚，以及超聲振動(dòng)切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進(jìn)行物位、濃度、硬度、溫度等檢測(cè)。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測(cè)量計(jì)，胎兒檢查儀，超聲波潔牙器等醫(yī)療器械都是利用了超聲波的特性。在軍事領(lǐng)域中，超聲波用于雷達(dá)目標(biāo)定位，武器制導(dǎo)等方面[2]。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。 因此設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的目的及意義。2 超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)思路 超聲波傳感器及其測(cè)距原理 超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長距離測(cè)量。，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（timeof flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離即s=vt/2。（其往返時(shí)間為t，v為超聲波在空氣中的傳播速度）根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，在本課題中采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖1所示： 圖1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理框圖 方案論證由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到使用要求。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。另外測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器來驅(qū)動(dòng)。3 總體方案設(shè)計(jì)由單片機(jī)STC89C52編程產(chǎn)生40kHz的方波，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離,并由單片機(jī)控制顯示出來。該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖2所示。圖2 時(shí)序圖單片機(jī)在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。另外由于超聲波受溫度的影響比較大，因此為了提高測(cè)量的精度我在這里加入了溫度補(bǔ)償裝置，利用DS18B20測(cè)的當(dāng)前溫度值，在根據(jù)溫度與超聲波傳播的速度之間的關(guān)系計(jì)算出實(shí)際在空氣中傳播的速度，從而來計(jì)算實(shí)際的距離。在設(shè)計(jì)中還加入了報(bào)警裝置，當(dāng)測(cè)量的距離過長或過短報(bào)警器就會(huì)發(fā)出蜂鳴聲并有指示燈指示是過長還是過短。 單片機(jī)測(cè)距原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)即C=331．4+0．607T。因此在實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的過程中我們需要測(cè)出傳播時(shí)間及當(dāng)前溫度，這就需要軟硬件共同作用來實(shí)現(xiàn)。 單片機(jī)系統(tǒng)及其基本電路 STC89C52的功能介紹STC89C52RC是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾一種單片機(jī)，其指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，12時(shí)鐘、機(jī)器周期和6時(shí)鐘、機(jī)器周期可以任意選擇。圖3 STC89C52RC實(shí)物圖(1)STC89C52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16
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