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基于單片機的超聲波測速系統(tǒng)設(shè)計-在線瀏覽

2025-01-13 02:41本頁面
  

【正文】 計算機 AT89C51 顯示 發(fā)射 超聲波kukuaikuai 塊 模塊 接收 超聲波 4 測速原理 1 超 聲波理論 20200 赫茲 (Hz)的一種人無法聽見的聲波。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。 聲波頻率界限圖如圖 2所示 。 當(dāng)固體介質(zhì)表面受到交替變化的表面張力作用時,質(zhì)點作相應(yīng)的縱橫向復(fù)合振動;此時,質(zhì)點振動所引起的波動傳播只在固體介質(zhì)表面進行,故稱表面波。 圖 2 聲波頻率界限圖 超聲波的廣泛應(yīng)用 [8][9][10], 是由于超聲波的特性 : 超聲 波的波長比一般聲波要短,具有較好的方向性,而且能透過不透明物質(zhì) 。 要利用超聲波進行測 速 ,首先要研究超聲波傳感器的工作原理 [11][12][13]??傮w上講,超聲波傳感器可以分為兩大類:一類是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波;另一類是使用機械方式產(chǎn)生超聲波。 2 測速方法 (1)時差法測速 利用超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波,從第一次發(fā)射發(fā)射到接收的時間 為Δ t1,從第一次接收完成后到第二次發(fā)射完成的時間差為 Δ t2。總體上講,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,一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。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。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號,其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時,壓電晶片將會發(fā)生共振,并帶動共振板振動,便產(chǎn)生超聲波。若已知介質(zhì)中的聲速為 C,換能器的接收頭接收的波的時刻與發(fā)射脈沖時刻的時間差為 t,那么即可由公式 出 換能器與目標(biāo)之 間的距離 進而求出速度 。 超聲波測速 等系統(tǒng)的性能及精度,尤其是測量范圍在很大程度上取決于換能器及其驅(qū)動和接收電路的設(shè)計 [18]。空氣中超聲波的衰減系數(shù)與頻率的平方成正比,所 7 以空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感,要求合理選擇超聲波的中心頻率。 (2)中心頻率越高,傳感器的方向性越尖銳,分辨率越高。 (3)從傳感器設(shè)計角度看,工作頻率越低,傳感器尺寸就越大,制造和安裝 就越困難。 本次設(shè)計的 40KHz的信號由單片機內(nèi)部的振蕩電 路產(chǎn)生,經(jīng)過波形變換以及超聲波換能器后發(fā)射出去,原理如圖 3所示,由于超聲波換能器為壓電陶瓷材料制造,單片機直接產(chǎn)生的方波不能直接加到換能器上,否則會對換能器造成損壞,縮短換能器的使用壽命。圖 3中的功率放大利用集成芯片 LM386來實現(xiàn)的,這 是專為低損耗電源所設(shè)計的功率放大器集成電路。 LM386 8 可使用電池為供應(yīng)電源,輸入電壓范圍可由 4V12V,無作動時僅消耗 4mA 電流,且失真低。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為 20。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半,在 6V 電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為 24mW,使得 LM386 特別適用于電池供電的場合。 圖 4 LM386引腳圖 9 超聲波接收模塊設(shè)計 超聲波 信號在空氣中傳播一段距離后碰到運動物體反射回來, 接收部分的電路由放大電路 、 信號變換電路 以及超聲信號檢測電路三部分組成 組成。在經(jīng)過整形放大后需要把正弦信號變換成方波信號以便進行電平分析。 10 圖 5 超聲波接受模塊原理圖 圖 5中 收到的超聲波信號通過一個放大倍數(shù)為 11倍的同向比例放大器進行放大 [19],然后加入到施密特觸發(fā)器進行波形變換。由于使用靈活、方便,所以 555 定時器在波形的變換與產(chǎn)生、測量與控制等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。當(dāng)輸入正弦波信號,則3腳的輸出即為方波如圖 7所示 : 圖 7波形變換圖 在經(jīng)過波形變換后 進入超聲波檢測電路,超聲波檢測電路由紅外接收專用芯片 CX20206a 組成,引腳圖如圖 8 所示: LM555 12 圖 8 CX20206a 引腳圖 各引腳功能如下所示: 1 腳:超聲信號輸入端,該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。 4 腳:接地端。例如,取 R=200kΩ時, f0≈ 42kHz,若取 R=220kΩ,則中心頻率 f0≈ 38kHz。 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。 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 單片機是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有 運算能力(如算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器( CPU) ,隨機存取數(shù)據(jù)存儲器( RAM),只讀程序存儲器( ROM),輸入輸出電路( I/O口),還包括定時計數(shù)器,串行通信口( SCI),顯示驅(qū)動電路( LCD 或 LED驅(qū)動電路),脈寬調(diào)制電路 (PWM),模擬多路轉(zhuǎn)換及 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機上,構(gòu)成一個最小然而很完善的計算機系統(tǒng)??偟亩詥纹瑱C的特點可以歸納為以下幾個方面:集成度高、存儲容量大、外部擴展能力強、控制功能強、低電壓 、低功耗、性能價格比高、可靠性高這幾個方面。它們被應(yīng)用在不同領(lǐng)域里, 8位單片機由于功能強大,被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個領(lǐng)域。隨著移動通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進入家庭, 32 位單片機應(yīng)用得到了長足發(fā)展。然而單片機又不同于單板機,芯片在沒有開發(fā)前,它只是具備功能極強的超大規(guī)模集成電路,如果賦予它特定的程序,它便是一個最小的、完整的微機控制系統(tǒng)。 AT89C52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器,具有 8K在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能: 8k字節(jié) Flash, 256字節(jié) RAM, 32 位 I/O 口線,看門狗定時器, 2個數(shù)據(jù)指針,三個 16位定時器 /計數(shù)器,一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時鐘電路??臻e模式下, CPU停止工作,允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 它一共有 40個引腳,引腳又分為四類。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。還有由 P0口、 P1口、 P2口、 P3口的所有引腳構(gòu)成的單片機的輸入 /輸出( I\O)引腳。 綜上所述,單片機的引腳特點是: 單片 機多功能,少引腳,使得引腳復(fù)用現(xiàn)象較多。 鑒 于 89C52 所具備的功能可以實現(xiàn)本測速系統(tǒng)的要求,所以本系統(tǒng)主控芯片選擇 89C52,然后在主 芯片外圍加上 12MHZ 的晶振,以及電源 等電子元器件構(gòu)成單片機最小系統(tǒng),本設(shè)計要求按鍵控制超聲波信號的發(fā)射,數(shù)碼管顯 示,所以在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加以補充電路。 74HC573 的八個鎖 存器都是 透明的 D 型鎖存器,當(dāng)使能( G)為高時, Q 輸出將隨數(shù)據(jù)( D)輸入而變。 輸 出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作,即老數(shù)據(jù)可以保持,甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時,新的數(shù)據(jù)也可以置入。特別適用于緩沖寄存器, I/O 通道 , 雙向總線驅(qū)動器和工作寄存器 。 16 圖 10 數(shù)碼管顯示電路 本次設(shè)計的所使用的數(shù)碼管為共陰極,圖 10 所示的兩個三位數(shù)碼管,可以 看到所有數(shù)碼管的陽極,即標(biāo)有 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H的引腳全部連接在一起,然后與上面的 U4 元件 74HC573 鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連,鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端連接單片機的 P0 口, P0口同時加了上拉電阻。兩個鎖存器的鎖存端分別與單片機的 、 相連,因為單片機可以控制鎖存器的鎖存端,進而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出,這 種分時控制的方法便可以方便的控制數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。其中超聲波發(fā)射又包括低通濾波電路和超聲波換能電路,超聲波接收則包括整形放大電路、波形變換電路以及超聲波檢測接收電路。 18 第 3章 超聲波測速系統(tǒng)軟件的 設(shè)計 主程序 由超聲波超聲波測速 用 C語言開發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開發(fā)周期 ,明顯增強程序的可讀性,便于改進和擴充。因此,本系統(tǒng)采用 C語言來進行系統(tǒng)的軟件設(shè)計,本次設(shè)計軟件調(diào)試的環(huán)境是 Keil uVision4。超聲波雷達測速的主程序流程圖如圖 12所示,超聲波測速源程序見附錄 1。由于要進行多普勒測速所以理論上至少要發(fā)射兩個周期以上才能利用定時器捕捉回波信號的周期,以此來得出回波信號與所發(fā) 40KHZ之間的頻差來得到物體運動速度。 發(fā)出的的超聲波在碰到運動物體反射回來進入超聲波接收電路后,經(jīng)波形變換以及整形放大后通過芯 片 CX20206a進入到單片機的 ,其中CX20206a在沒有高電平到時,其輸出為高電平,當(dāng)有信號到時其跳變?yōu)榈? 19 電平。等接受完畢后接著再發(fā)射一次,同時啟動定時器 0,當(dāng)收到回波后停止,定時器 0記錄數(shù)據(jù)為 num3。 但測速系統(tǒng)在測速過程中還應(yīng)該考慮干擾物體對測速的影響,應(yīng)該考慮此次測速是否有效,本設(shè)計擬對 5m以上物體的速度進行測量,所以利用軟件編程設(shè)計對 T0定時器的時間記錄進行判斷,即當(dāng) num1次測速失敗,應(yīng)該重新測量。子程序流程圖如圖 11所示。 圖 11 測量結(jié)果判斷流程圖 開始 △ V輸出到顯示 開始 輸出到顯示num1 輸出到顯示 N N Y Y 20 圖 12 測速系統(tǒng)流程圖 開始 初始化 調(diào)發(fā)射子程序 定時器 0 開始計時 N
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