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超聲波測距設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)-閱讀頁

2024-12-22 01:55本頁面
  

【正文】 圖 34超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器采用雙晶振子,即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起,在長度方向上,一片伸長另一片就縮短。雙晶振子為正方形,正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。金屬板的中心有圓錐形振子,發(fā)送超聲波時,圓錐形振子 有較強(qiáng)的方向性,因而能高效率地發(fā)送超聲波 。 超聲波發(fā)射端是將電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能,接收端則反之。它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之,如果兩電極間未外加電壓,當(dāng)共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電晶片作振動,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號,就成 為超聲波接收器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同,使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波探頭將電信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去,而單片機(jī)所產(chǎn)生的 40kHz 的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波發(fā)射出去,所以發(fā)射驅(qū)動實(shí)際上就是一個信號的放大電路,本設(shè)計(jì)選用 74LS04 芯片進(jìn)行信號放大 。超聲波發(fā)射電路如圖 35所示。超聲波接收電路主要是由集成電路 CX20216A 芯片電路構(gòu)成的, CX20216A 芯片電路可以對超聲波信號進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢 波、整形、比較等功能,比較完之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機(jī)去請求中斷,當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時,并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。 CX20216A 芯片的 5 腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),而且不用再外接其他的電感,能夠很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾,而且它的可靠性也是比較高的。超聲波接收電路如圖 36 所示。 HCSR04型超聲波集成模塊的工作電壓為 5V,而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于 2mA 的,工作時候可以比較穩(wěn)定??梢詼p少了很大部分可能存在的角度干擾問題。 HCSR04 超聲波集成模塊采用的是 I/O 觸發(fā)測距,給至少 10μ s的高電平信號。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 18 一個控制口發(fā)出一個 10μ s 以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出。這樣不斷的循環(huán)周期測,就可以在不停地移動的過程中測量距離值了。 顯示模塊 本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型 1602 液晶顯示所測距離值。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn),與數(shù)碼管相比,顯得更專業(yè)、美觀。 圖 37 1602液晶顯示屏電路圖 其中, 1602 第 4 腳 RS 為寄存器選擇,第 5 腳 RW 為讀寫信號線,第 6 腳 E為使能端。 單片機(jī)端的 P0口 接到 LCD1602的 D0~ D7,而 RS,RW,E 接線接到 , , 三個 I/O 口 。所以為了提高精度,本設(shè)計(jì)還引入了溫度采集使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度采集,其溫度測量范圍為 55℃~ +125℃,測溫分辨率可達(dá) ℃。 DS18B20 溫度傳感器有以下特點(diǎn): 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 溫度傳感器電路圖如圖 38 所示。報(bào)警部分的連線,如圖 39所示。 電源模塊的原理圖如圖 310。 LM7805 是用來穩(wěn)壓的集成電路,只有三條引腳輸出,分別是輸入端、接地端和輸出端。 圖 310 電源模塊電路圖 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 21 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 超聲波測距的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算,又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時間,所以控制程序采用 C 語言編程。 主程序設(shè)計(jì) 主程序是對整個單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化后,先將超聲波的回波接收標(biāo)志位置位并且使單片機(jī) 端口輸出一個低電平用來啟動超聲波發(fā)射電路,同時將定時器 T0 啟動,根據(jù) T0 得到記錄的時間。然后調(diào)用距離計(jì)算的子程序,再根據(jù)定時器 T0 記錄的時間和當(dāng)前環(huán)境溫度計(jì)算出所需要測量的距離,然后再調(diào)用顯示子程序,再將測出的距離和溫度通過液晶顯示屏顯示出來,同時調(diào)用聲音處理程序來控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。 程序中對測距距離的計(jì)算方法是按 S=N(+ temp)/20210(cm)進(jìn)行計(jì)算的,其中, N為計(jì)數(shù)器的值, temp 為當(dāng)前環(huán)境溫度,聲速的值取為 (+ temp)m/s。將系統(tǒng)各模塊進(jìn)行初始化。判斷超聲波測距模塊是否接收到回波,如果沒有收 到回波則重新啟動系統(tǒng)。通過 DS18B20 采集溫度,將溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換,并將所轉(zhuǎn)換的溫度進(jìn)行顯示。將所測量的距離與當(dāng)前環(huán)境的溫度進(jìn)行顯示。根據(jù)所測距離進(jìn)行判斷是否需要報(bào)警。 系 統(tǒng) 初 始 化 子 程 序溫 度 采 集 子 程 序發(fā) 射 超 聲 波啟 動 T 0 開 始 計(jì) 數(shù)返 回 波 到 達(dá) ?是 否 超 時 ?關(guān) 閉 T 0 , 讀 取 計(jì) 數(shù) 值計(jì) 算 距 離顯 示 處 理 子 程 序判 斷 報(bào) 警 子 程 序開 始 圖 41 主程序流程圖 系統(tǒng)初始化 子程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)初始化子程序的流程圖如圖 42 所示。給 T0賦初值為 0,給 T1賦初值為 0x3C80,即 15536μ s,將標(biāo)志位復(fù)位之后,開啟總中斷之后返回主程序。所以必須對溢出中斷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置才能使得單片機(jī)正常工作。 定 時 器 T 1 賦 初 值2 4 0 m s 是 否 到 ?重 新 啟 動返 回YN定 時 器 程 序 開 始 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 24 圖 43 定時器子程序流程圖 實(shí)現(xiàn)重要功能的 子 程序分析 DS18B20 溫度 采集 子程序 溫度采集子程序流程圖如圖 44 所示。若 DS18B20 判斷存在,則啟動溫度轉(zhuǎn)換,否則將重新進(jìn)行。 溫 度 采 集 子 程 序 開 始D S 1 8 B 2 0 復(fù) 位D S 1 8 B 2 0 存 在 ?D S 1 8 B 2 0 發(fā) 送 存 在 脈 沖讀 取 D S 1 8 B 2 0 數(shù) 據(jù)溫 度 轉(zhuǎn) 換等 待 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束D S 1 8 B 2 0 復(fù) 位數(shù) 據(jù) 處 理 并 顯 示讀 取 溫 度返 回 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 25 圖 44 溫度采集子程序 顯示處理子程序 顯示處理子程序流程圖如圖 45 所示。系統(tǒng) 開始先顯示溫度,然后顯示所測距離。 D I S T A N C E1 0 S 5 0 0 ?顯 示 溫 度數(shù) 值 SE r r o r進(jìn) 行 顯 示返 回NY顯 示 處 理 子 程 序 開 始 圖 45 顯示處理子程序流程圖 判斷報(bào)警子程序 判斷報(bào)警子程序 流程圖 如圖 46 所示。在本設(shè)計(jì)中,利用的是單片機(jī) 引腳來產(chǎn)生的方波來控制蜂鳴器產(chǎn)生 “ 滴滴 ” 聲。 D i s t a n c e 4 0 ?開 警 報(bào) 2 0 k H z 關(guān) 閉 警 報(bào)返 回YN報(bào) 警 判 斷 子 程 序 開 始 圖 46 判斷報(bào)警子程序流程圖 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 27 第 5章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析 系統(tǒng)的調(diào)試可分為硬件調(diào) 試和軟件調(diào)試。這樣不但方便電路調(diào)試、及時發(fā)現(xiàn)問題,而且在這個硬件電路焊接完成的同時系統(tǒng)硬件的調(diào)試工作也就完成了。若單獨(dú)模塊測試正常,再 把各個模塊組合起來,全速運(yùn)行,看程序是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的所有功能。因此把硬件調(diào)試按照一下四部分分步來進(jìn)行: ( 1)所有焊接點(diǎn)是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在; ( 2)通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi); ( 3)通過軟件編程測試顯示屏是否能正常工作; ( 4)下載軟件程序測試系統(tǒng)硬件是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。具體操作是:當(dāng)萬用表的兩個探頭接觸到兩個原理上連接的焊接點(diǎn)時發(fā)出報(bào)警,則表明這兩個焊接點(diǎn)是導(dǎo)通的;反之,則是 虛焊。檢測和修改完成后,為下一步通電檢測排除了短路的危險(xiǎn)和由于虛焊引起的檢測結(jié)果不真實(shí)的麻煩。 系統(tǒng)上電后首先觀察電路中是否有過熱,異味,冒煙等現(xiàn)象出現(xiàn)。測試各器件電源端電壓在 ~ 之間以滿足器件的電源電壓要求,單片機(jī)的端口在未接負(fù)載時端口電壓為 。 溫度傳感器測試 通過軟件編寫溫度顯示程序,結(jié)合硬件電路運(yùn)行。 系統(tǒng)軟件調(diào)試方法及過程 軟件的調(diào)試是運(yùn)用模塊化調(diào)試,通過觀察存儲單元數(shù)據(jù)的變化,查找并解決程序的語法和邏輯錯誤,具體的調(diào)試步驟如下: ( 1)把系統(tǒng)的各個模塊在仿真軟件中逐個調(diào)試,如中斷模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射和接收模塊等。 ( 3)把各個模塊組合起來,全速運(yùn)行,看程序是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的所有功能。因此超聲波 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 29 的傳播速度受氣體的密度、溫 度及氣體分子成份的影響。 所以超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有: ( 1)量程范圍 ,量程范圍越大,誤差越大 ; ( 2)目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。 觸發(fā)誤差 由于被測信號經(jīng)放大、整形,門控在產(chǎn)生“開門脈沖”和“ 關(guān)門脈沖”中,噪聲信號、干擾信號的摻入,使觸發(fā)的時間可能提前或滯后,給測量結(jié)構(gòu)帶來了隨機(jī)誤差,該誤差與信號的觸發(fā)波形有很大關(guān)系。實(shí)際測量時,不一定是第一個回波的過零點(diǎn)觸發(fā)。 電路本身影響 電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷,因此會造成測量誤差,主要表現(xiàn)為: ( 1)收到回波到被檢測出的滯后。從收 到實(shí)際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號肯定存在滯后,這和回波信號強(qiáng)弱、檢測電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān),也是超聲波測距的核心。 這是由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器。為減小此項(xiàng)誤差,應(yīng)該提高計(jì)時的最小單位,即是選擇頻率高的晶振,從而降低量化誤差,同時選用質(zhì)量好的晶振。這是由于系統(tǒng)是用來測量點(diǎn)和面的 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 30 距離,而被測物表面、超聲波發(fā)射探 頭和接收探頭三者之間存在一個幾何角度,即發(fā)射波入射到接收探頭的角度。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 31 第 6 章 總結(jié) 與展望 本課題設(shè)計(jì)的是超聲波測距系統(tǒng),即運(yùn)用超聲波測距的原理和方法,設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是利用超聲波實(shí)現(xiàn)測量物體間的距離,并以數(shù)字的形式顯示測量距離在液晶屏上,在距離小于 米時發(fā)出報(bào)警。超聲波測距系統(tǒng)的核心單片機(jī)采用 STC12C5A60S2,晶振為 12MHz。單片機(jī)控制超聲波發(fā)射與接收模塊進(jìn)行信號的發(fā)射與接收,顯示電路采用 TC1602 液晶顯示,測溫電路采用 DS18B20 芯片進(jìn)行溫度采集。 本設(shè)計(jì)還可以做如下改進(jìn): 系統(tǒng)的動態(tài)性能不高,被測物體表面移動速度小的時候,可以實(shí)現(xiàn)跟蹤測量;移動速度過大,波動較大時,誤差變大,可以研究更為合理的波導(dǎo)管和輔助測量手段; 提高超聲波發(fā)射探頭的固有頻率。 增加抗干擾措施。另外加上環(huán)境溫度、氣流等的影響,使超聲波測距系統(tǒng)受到干擾尤為嚴(yán)重。 ( 1)硬件方面 為了抑制外部干擾,接收裝置可以采用過零檢測裝置,保證接收到的超聲波為物體反射回來的超聲波,從而有效地抑制超聲波發(fā)射電路的輻射干擾。電路元件要選用低噪聲器件,采 取合理的電路布局,良好的印刷板走線,并注意進(jìn)行屏蔽。通過這些處理,可以有效的減少干擾。 同時我還要感謝和我 一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué),在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短幾個月里,給了我不少的幫助和支持,提出了許多寶貴的意見,正因?yàn)槿绱?,我才能成功地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間,每位老師對我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助,使我的水平得到了很大的提高,取得了長足的進(jìn)步。 sbit Echo_bit = P1^1 。 unsigned char aa = 0。 unsigned temp=0 。 /********************************** 函數(shù)名稱 :main() 功能描述 :主函數(shù),程序入口 入口參數(shù) :無 返回值 : 無 **********************************/ void main(void) { UB8 j,dat[]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0}。 lcd1602WriteCommand(0x0c) 。 lcd1602AddressWriteString( LCD1602_ROW0, 7, cm)。 lcd1602AddressWriteByte(LCD1602_ROW1,10,0xdf) 。C39。 init() 。 while((!Echo_bit)) 。 while(Echo_bit) 。 /*公式說明:假設(shè)時間為 T ( us),則距離為: T/1000000 (s) * (+*temp)(m/s) /2 = T*(+*temp)/2021000 (m) = T*(+*temp)/20210 (cm) */ S=(TH0*256+TL0)*(+*temp)/20210。 TL0 = 0 。039。 lcd1602AddressWriteByte(LCD1602_ROW0,5,S%100/10 +39。
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