基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)(已修改)
2025-06-19 09:21 本頁(yè)面
【正文】 電信學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì) 1 總體設(shè)計(jì)方案介紹 超聲波測(cè)距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度υ在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測(cè)物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 11 超聲波波速與溫度的關(guān)系表 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 表 11 超聲波測(cè)距儀 原理 框圖如下圖 單片機(jī)發(fā)出 40kHZ 的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 圖 11 超聲波測(cè)距儀原理框圖 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波 檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng)LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 5l 系列單片機(jī)中典型芯片 (AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝 (DIP)形式 ，內(nèi)部由CPU， 4kB 的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 個(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 TO和 T1， 4 個(gè) 8 b的工／ O端 I： IP0， P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器 (E~PROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 5l系列單片機(jī)提供以下功能： 4 kB 存儲(chǔ)器； 256 BRAM； 32 條工／ O線(xiàn)； 2 個(gè) 16b定時(shí)／計(jì)數(shù)器； 5 個(gè) 2 級(jí)中斷源； 1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。 空閑方式： CPU停止工作，而讓 RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件超聲波發(fā)射器 放大電路 超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時(shí)器 單片機(jī) 控制 顯示器 電信學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 2 復(fù)位。 5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)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 tr，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)。 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 22 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的 另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R1O、 R11一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果 兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波檢測(cè)接收電路 集成電路 CX20216A 是一款紅外線(xiàn)檢波接收的專(zhuān)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 38 kHz 與測(cè)距的超聲波頻率 40 kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路 (如圖 23)。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20216A接收超聲波 (無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較 強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 圖 22 超聲波發(fā)射電路原理圖 電信學(xué)院綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 3 圖 23 超聲波檢測(cè)接收電路 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用 AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有 4K 的 ROM，便于編程。電路原理圖如見(jiàn)附件。其中只畫(huà)出前方測(cè)距電路的接線(xiàn)圖，左側(cè)和右側(cè)測(cè)距電路與前方測(cè)距電路相同，故省略之。 3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成 。我們知道 C 語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離 。距離的計(jì)算公式為： d=s/2=(c t)/2
畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1