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正文內(nèi)容

基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的畢業(yè)設計-文庫吧資料

2025-07-03 20:25本頁面
  

【正文】 量精度是超聲波測距的關(guān)鍵技術(shù),其提高測距精度的措施如下:1)合理選擇超波工作頻率、脈寬和脈沖發(fā)射周期。相對而言,單片機的時間分辨率還是不太高,如晶振頻率為12MHz 時,時間分辨率為1μs。C 變化時,將會產(chǎn)生7%的聲速變化,因此,為了提高測量的準確性,計算式必須根據(jù)溫度進行聲速的修正。聲速受溫度的影響為:Cθ=C0[1+(θ/273)] 178。在氣體中,壓強、溫度、濕度等因素會引起密度的變化,氣體中聲速主要受密度影響,液體的深度、溫度等因素會引起密度的變化,固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更大,一般超聲波在固體中傳播速度最快,液體次之,在氣體中的傳播速度最慢。聲波的傳播和媒質(zhì)的彈性模量密度、內(nèi)耗以及形狀大小(產(chǎn)生折射、反射、衍射等)有關(guān)。;ρ為媒質(zhì)的密度,單位為kg/mm179。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強波,對一般流體媒質(zhì)而言,聲波是一種縱波,傳播速度為C=(E/ρ)178。 系統(tǒng)的誤差分析 聲速引起的誤差聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點的位置、壓強和密度對相應靜止值的擾動。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序,測距儀能測的范圍為小于6m,測距儀最大誤差不超過1cm。硬件電路制作完成并調(diào)試好后,便可將單片機試運行[15]。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來,則可提高抗干擾能力。每隔半周期時間,讓方波輸出腳的電平取反,便可產(chǎn)生半周期為12μs或13μs 的方波信號, 。40kHz 的方波驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波,經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz 的正弦波,由于聲波在空氣中傳播時衰減,所以接收到的波形復制較低,經(jīng)接收電路放大,整形,最后輸出一負跳變,在單片機的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個中斷請求信號。首先測量發(fā)射電路對信號放大的倍數(shù),先用信號源給發(fā)射電路輸入端一個40kHz 真的方波信號。開始發(fā)生超聲波停止發(fā)射,啟動計數(shù)器開始計數(shù)外部0是否有中斷計數(shù)器停止計算檢測結(jié)果結(jié)束YN圖44 超聲波測距流程圖溫度補償流程圖如圖45所示。一旦接收到超聲波返回信號后,就立即進入中斷程序。定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射,外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取,距離計算,結(jié)果的輸出等工作。進入該中斷后就立即關(guān)閉計時器T0 停止計時,并將測距成功標志字賦值1。主程序框圖如下:開始系統(tǒng)初始化溫度檢測子程序測距子程序結(jié)合溫度計算結(jié)果顯示結(jié)束圖41 主程序框圖主程序流程圖:開始系統(tǒng)初始化位置回波接收標志位發(fā)射超聲波脈沖開定時器開外部中斷計算距離顯示回波標志位是否為1YN 圖42 主程序流程圖 系統(tǒng)中斷程序設計 端口發(fā)送2 個左右的超聲波信號頻率約40KHz 的方波,脈沖寬度為12us 左右,同時把計數(shù)器T0 打開進行計時。由于采用12MHz 的晶振,機器周期為1us,當主程序檢測到接收成功的標志位后,將計數(shù)器T0 中的數(shù)(即超聲波來回所用的時間)按下式計算即可得到被測物體與測距儀之間的距離,當然,我們計算的時候還要考慮溫度對聲速的影響。系統(tǒng)軟件編制時應考慮相關(guān)硬件的連線,同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。~ 四個I/O 口,主要是完成時鐘調(diào)整功能,單片機系統(tǒng)初始化后,I/O 端口輸出高電平,由于按鍵的另一端都接公共地,因此可根據(jù)這幾個I/O 口是否為低電平中可檢測是否有按鍵按下,是哪個鍵被按下,然后轉(zhuǎn)向該按鍵所指向的功能。該方式的優(yōu)點是在軟件上對按鍵輸入的處理比較簡單、方便;在硬件上占用的I/O 口數(shù)比較多。用較少的I/O 口就能夠連接很多按鍵,適宜于硬件資源緊張的情況。發(fā)光二極管電路中采用共陽法,即當單片機I/O 口輸出低電平時,發(fā)光二極管亮;在蜂鳴器電路中,采用了PNP 三極管9012 來驅(qū)動,當單片機該端口輸出低電平時,蜂鳴器發(fā)出響聲,其電路圖如下圖36,圖37: 圖37 P1 口二極管發(fā)光電路 圖38 蜂鳴器電路 鍵盤電路的設計如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花費實現(xiàn)鍵盤功能,是人機接口設計的關(guān)鍵。圖36 單片機復位電路圖 聲光報警顯示電路的設計此模塊主要為聲光顯示功能,以提示是否進入或退出調(diào)整電子時鐘界面,更具有人性化。圖36 為按鈕復位電路。單片機系統(tǒng)的總電源電路圖如35:圖35 電源電路圖 單片機復位電路設計復位是單片機初始化操作,其作用是使CPU 和系統(tǒng)中的其他部分都處于一個確定的初始狀態(tài),并從這個狀態(tài)開始工作。通過以上四個環(huán)節(jié)即得到5V 的直流穩(wěn)壓電源。4)濾波:7805 左邊兩個是降壓后的電源濾波電容,大電容旁邊并聯(lián)一個小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻,因為大的電解電容一般采用卷繞工藝制造,所以等效電感較大,小電容可以提供一個小內(nèi)阻的高頻通道,降低電源全頻帶內(nèi)阻。2)整流:將變壓后的電源通過四個整流二極管4007 組成的整流橋,將交流電轉(zhuǎn)變成直流電,因此即使粗心電源接反單片機也不會燒掉,而電路也是正常工作的。圖34 TTL轉(zhuǎn)RS232接口電路 電源電路電源電路提供系統(tǒng)運行的能量,所以在進行電源電路設計保證原理正確的前提下,考慮電源容量并保證一定的余量。計算機首先對單片機發(fā)過來的每一幀數(shù)據(jù)進行正確的接收,并對數(shù)據(jù)進行實時顯示,然后再進行必要的處理,以達到實時監(jiān)控的目的。大多數(shù)計算機應用系統(tǒng)與智能單元之間只要使用3到5根信號線即可工作,需使用IXD(發(fā)送數(shù)據(jù))、RXD(接收數(shù)據(jù))、GND(地線)等信號線,但有時還需使用RTS(發(fā)送數(shù)據(jù)請求)、CTS(清除發(fā)送)、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒)、DSR(數(shù)據(jù)發(fā)送就緒)等信號線。 PC機與單片機的硬件連接串口是PC機上一種非常通用的設備通信協(xié)議。在最簡單的RS232 直接傳送通信系統(tǒng)中,只要發(fā)送和接收雙方同時準備好,僅用信號發(fā)送端(TXD) ,信號接收端(RXD) 和信號地(GND)3 根線即可進行通信。約有99%的用戶是按碼元畸變1020%的范圍工作的,所以實際使用中最大距離會遠超過15m,一般能滿足個人和近距離設備的需要。 到10uF之間的電容,有極性無極性均可,但是使用有極性的電容一定注意正負方向。典型的RS232 信號在正負電平之間擺動,在發(fā)送數(shù)據(jù)時,發(fā)送端驅(qū)動器輸出正電平在+5~+15V,負電平在5~15V 電平。MAX232 作為RS232 的電平轉(zhuǎn)換芯片,完成TTL 電平到RS232 電平的轉(zhuǎn)換。 } Display()。 disbuff[1]=S%1000%100/10。 //顯示“” disbuff[2]=10。 disbuff[0]=10。 delay1(200)。 S=(time*c)/100。 c=+*temp。 temp=readtemptaure()。 TH0=0。當收到超聲波反射波時,接收電路輸出產(chǎn)生一個負跳變,在INT0 或INT1 端產(chǎn)生一個中斷請示信號,單片機響應外部中斷請示,執(zhí)行外部中斷服務子程序,讀取時間差,計算距離。(7)7腳:遙控命令輸出端,它是集電極開路輸出方式,因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端,推薦阻值為22kΩ,沒有接受信號是該端輸出為高電平,有信號時則產(chǎn)生下降。(5)5腳:該引腳與電源間接入一個電阻,用以設置帶通濾波器的中心頻率f0,阻值越大,中心頻率越低。但C5的改變會影響到頻率特性,一般在實際使用中不必改動,推薦選用參數(shù)為R14=10Ω,C5=1μf(3)3腳:該腳與地之間連接檢波電容,電容量大為平均值檢波,瞬間相應靈敏度低;若容量小,則為峰值檢波,瞬間相應靈敏度高,但檢波輸出的脈沖寬度變動大,易造成誤動作。(2)2腳:該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡,它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分,改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。以下是CX20106A的引腳注釋。圖33 接收電路圖使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、濾波。本次設計為了降低調(diào)試難度,減少成本,提供系統(tǒng)可靠性,所以我們采用了一種用在彩色電視機上面的一種紅外接收檢波芯片[10]CX20106,由于紅外遙控的中心頻率在38KHz,和超聲波的40KHz很接近,所以可以用來做接收電路。 超聲波接收電路超聲波接收包括接收探頭,信號放大以及波形變換電路三部分,超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號,否則可能導致接收效果甚至不能接收。) 輸出的40kHz 脈沖信號經(jīng)三極管T 放大,驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T,發(fā)出40kHz 的脈沖超聲波,且持續(xù)發(fā)射200us。i++) { _nop_()。 40kHz 脈沖信號的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射測距系統(tǒng)中的超聲波發(fā)生器采用UCM40 的壓電陶瓷傳感器,它的工作電壓是40kHz 的脈沖信號, 端口來產(chǎn)生,其40kHz 的脈沖信號產(chǎn)生程序如下: for(i=0。本次我們采用第一種方法產(chǎn)生超聲波,非門可以選用74LS04,具體電路如圖32所示。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號,并直接驅(qū)動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波??梢圆捎密浖a(chǎn)生40KHz的超聲波信號,通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器,經(jīng)過動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成,編號是a、b、c、d、e、f、g和SP,分別與同名管腳相連。圖31示出了八段LED數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。顯示電路采用簡單實用的4 位共陽LED 數(shù)碼管,段碼用74LS245 驅(qū)動,位碼用PNP 三極管驅(qū)動。采用12MHz 高精度的晶振,以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率,減小測量誤差。圖22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第3章 硬件電路設計 單片機及顯示電路設計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。超聲波發(fā)射頭發(fā)射
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