手持測(cè)距儀設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告

1、宇波城烈業(yè)技術(shù)學(xué)寛產(chǎn)品設(shè)計(jì)報(bào)告（2011 -2012學(xué)年第二學(xué)期）課程名稱學(xué)院專業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名 同組者姓名 任課教師完成日期4目錄引- 3任務(wù)分- 3方案初步設(shè)- 3產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)硬-4件設(shè)計(jì)11- 7調(diào)試和測(cè)試- 9總結(jié)- 10參考文獻(xiàn)軟件設(shè)計(jì)（2）超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰引言隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測(cè)距方法在很多場(chǎng)合已無法滿足人 們的需求，例如在井深，液位，管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合，傳統(tǒng)的測(cè)距方 法根本無法完成測(cè)量的任務(wù)。還有在很多要求實(shí)時(shí)測(cè)距的情況 下，傳統(tǒng)的測(cè)距方法也很難完成測(cè)量的任務(wù)。于是，一種新的測(cè) 距方法誕生了一一非接觸測(cè)距。超聲波可用于非接觸測(cè)量， 具有 不受光、

2、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點(diǎn)，是利用計(jì)算超聲波在被測(cè)物體和超聲波探頭之間的傳輸來測(cè)量距離的，對(duì)被測(cè)目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無 關(guān)。超聲波的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視。目前對(duì)于超聲波精確測(cè)距的需求也越來越大，如油庫(kù)和水箱 液面的精確測(cè)量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械內(nèi)部損傷 的檢測(cè)等。在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交 通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物 科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。目前常用的測(cè)距方式主要有雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距 和超聲測(cè)距4種。與其他測(cè)距方法相比較， 超聲測(cè)距具有下面的 優(yōu)點(diǎn)4:（1）超聲波對(duì)色

3、彩和光照度不敏感， 可用于識(shí)別透明及漫反 射性差的物體（如玻璃、拋光體）。塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。(3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、技術(shù)難度小、信息處理簡(jiǎn)單可靠、易于小型化和集成化。因此，超聲波作為一種測(cè)距識(shí)別手段，已越來越引起人們的重視1、任務(wù)分析設(shè)計(jì)并制作一個(gè)可以測(cè)量距離并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)的手持測(cè)距儀，電路系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示圖1手持測(cè)距儀要求結(jié)構(gòu)圖2、方案初步設(shè)計(jì)任務(wù)要求1、基本要求可以測(cè)量距離為0.4m0.8m的障礙物，測(cè)量精度為5cm。可通過LCD顯示可測(cè)范圍內(nèi)障礙物實(shí)際距離， 并相應(yīng)產(chǎn)生示意圖報(bào)警信息當(dāng)障礙物距離小于0.2m時(shí)，聲音報(bào)警長(zhǎng)鳴，LCD顯示“0.

4、2m”。2、發(fā)揮部分可以測(cè)量距離為0.2m1.0m的障礙物，測(cè)量精度為2cm按照手持測(cè)距儀設(shè)計(jì)任務(wù)與要求， 本項(xiàng)目的主要構(gòu)想是：超 聲波發(fā)射電路每隔一段時(shí)間發(fā)出一段超聲波信號(hào)，然后超聲波接受電路檢測(cè)是否有該超聲波信號(hào)被反射回來；如果有，則計(jì)算信號(hào)被發(fā)射到被接受的時(shí)間間隔，同時(shí)根據(jù)聲波在空氣中340m/s的傳輸速度及一半該時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物與手持測(cè)距儀的距 離，通過現(xiàn)實(shí)電路來現(xiàn)實(shí)結(jié)果，并根據(jù)測(cè)距離判斷是否進(jìn)行報(bào)警。 此外，有溫度測(cè)量電路測(cè)的環(huán)境溫度并進(jìn)行顯示，當(dāng)溫度超過鍵盤設(shè)置范圍則現(xiàn)實(shí)報(bào)警信息。 系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成： 超聲波發(fā) 射電路，超聲波接受電路，溫度測(cè)量電路，單片機(jī)最小系統(tǒng)，人 機(jī)借

5、口電路，系統(tǒng)構(gòu)想總體方案框圖如圖2。圖2系統(tǒng)構(gòu)想總體方案框圖3、產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1、硬件設(shè)計(jì)3.1.1超聲波發(fā)射電路號(hào)，再經(jīng)六反向器CD4069形成推挽激勵(lì)來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射傳感 器，超聲波發(fā)射強(qiáng)度提升了一倍。同時(shí)，發(fā)射電路由單片機(jī)的發(fā) 射控制信號(hào)引腳（NE555_RESET來控制方波信號(hào)是否產(chǎn)生。如 圖3所示圖3超聲波發(fā)射電路3.1.2超聲波檢測(cè)接收電路超聲波傳感器接收部分 電路采用集成電路CX20106A這是一款紅外線檢波接收的專用40KHz占空比為50%勺方波信采用555定時(shí)器電路產(chǎn)生頻率為芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距超聲波頻率40kHz較

6、為接近，可以利用它 作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明，其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的 抗干擾能力。適當(dāng)改變C1的大小，可改變接收電路的靈敏度和 抗干擾能力。R1和C1控制CX20106A內(nèi)部的放大增益，R2控 制帶通濾波器的中心頻率。一般取R1=4.7Q,8=VF。當(dāng)超 聲波接收頭收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中 斷INTO上。當(dāng)超聲波接收頭接收到40kHz方波信號(hào)時(shí)，將會(huì)將 此信號(hào)通過CX20106A驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷0口。單片機(jī)在得到外部中斷0的中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷0的中 斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，在移動(dòng)機(jī)器人的避障工作中，可以在中斷服務(wù)程序設(shè)定需要單片機(jī)處理的最短距離，比

7、如0.5m。對(duì)于距離大于0.5 m的障礙物， 可以不做處理直接跳出中斷服務(wù)程序；CX20106A的第5腳的電阻決定接收的中心頻率，200k的電阻決定了接收的中心頻率為40KHN當(dāng)CX20106A接收到40KHz的信 號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。CX20106由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積 分器及整形電路構(gòu)成。其中的電平自動(dòng)控制電路ABLC可以保證在輸入弱信號(hào)時(shí)前置放大器有較高增益，在輸入強(qiáng)信號(hào)時(shí)前置放 大器不會(huì)過載，可以保證在一定遙控距離 （約10m）內(nèi)工作可靠。 其內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0由其5腳外接電阻

8、調(diào)節(jié)，范圍可從30KHz- 60KHNCX20106的工作過程大致如下：其中的前置放大器將外接紅外光 敏二極管或三極管產(chǎn)生的脈沖電壓進(jìn)行放大，電壓增益約77-79dB。然后將信號(hào)送限幅放大器，使其變?yōu)榫匦蚊}沖，再由濾波 器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，由檢波器濾掉載頻檢出指令信 號(hào)，再經(jīng)整形后，由7腳輸出指令信號(hào)。實(shí)際上，CX20106的功 能用一句話概括，就是當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符 的紅外光信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平。CX20106-的主要參數(shù)如下：電源電壓典型值為5V,最大17V。電源電流1.1-2.5mA（典型值為1.8mA）。輸出低電平0.2V。電壓增益77-7

9、9dBo輸入阻抗27KQO濾波器中心頻率30KHz-60KHz。允許功耗0.8W。1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kQ。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 的一個(gè)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。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù) 下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R仁4.7Q,C1=g Fo3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(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高， 但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)

10、為3.3卩f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率fO,阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kQ時(shí)，f042kHz,若取R=220kQ，則中心頻率fO38kHz。6腳：該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF,如果該電容取得此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kQ,沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.55V。3.1.3主控制電路核心控制元件采用單一的AT89C51單片機(jī)來完成，顯示采用”4 苗T. “T: r太大， 會(huì)使 探測(cè)距離變 短。7腳： 遙控 命令輸出 端，它是集 電極開路輸 出方式，

11、因ILFTm豈窪豎fc雲(yún) W曲SMC1602A液晶模塊，溫度補(bǔ)償傳感器采用DS18B20.3.1.4電源電路9V直流電壓經(jīng)過濾波，再經(jīng)三極管7805穩(wěn)壓到5V直流電壓。3.2、軟件設(shè)計(jì)軟件部分的設(shè)計(jì)根據(jù)手持測(cè)距儀的具體功能實(shí)現(xiàn)可以分為四個(gè)步驟，分別是超聲波信號(hào)發(fā)送、超聲波信號(hào)接收、距離數(shù)據(jù) 處理、液晶距離顯示。（1）超聲波信號(hào)發(fā)送：通過定時(shí)器每隔20ms發(fā)送一次40KHZ的超聲波信號(hào)，每次發(fā)送4個(gè)周期（100us）；由于系統(tǒng)通過555定時(shí)器來產(chǎn)生超聲波啟動(dòng)信號(hào)， 所以在程序中需要完成的工作為每隔20ms給555定時(shí)器一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)時(shí)間100us。同時(shí)，由于超聲波信號(hào)接收通過外部中斷模式通知

12、單片機(jī)，所以在該定時(shí)器中還需 要啟動(dòng)外部 中斷及開始 計(jì)時(shí)。（2）超聲波信號(hào)接收：超聲波信號(hào)的接收通過外部中斷模式 通知單片機(jī)，當(dāng)進(jìn)入相應(yīng)中斷后，在程序中首先需要停止計(jì)時(shí)， 將計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)送入距離數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理；同時(shí)為避免不同距離障礙物反射回來的超聲波信號(hào)的干擾，在中斷程序中還需要關(guān) 閉該外部中斷，以最近障礙物距離為準(zhǔn)。聲波在空氣中傳輸速度 約為340m/s，YR1在20ms時(shí)間內(nèi)可以傳輸6.8m，因此該超聲波測(cè)距 可以最遠(yuǎn)到3.4m，一般手持測(cè)距最遠(yuǎn)為1.5m，滿足系統(tǒng)要求。 此外，為避免多次發(fā)射信號(hào)的干擾， 超聲波發(fā)送信號(hào)的能量最好 調(diào)節(jié)到最遠(yuǎn)衰減在5m以內(nèi)。（3）距離數(shù)據(jù)處理：在距離數(shù)

13、據(jù)處理模塊中，對(duì)共計(jì)10次 單片機(jī)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)剔除最大值與最小值后進(jìn)行數(shù)據(jù)平均值法處理。2、軟件流程圖根據(jù)手持測(cè)距儀具體功能的實(shí)現(xiàn)步驟及其他輔助功能， 在程 序設(shè)計(jì)中采用模塊化處理， 將總體功能分解一個(gè)個(gè)功能模塊， 每 個(gè)功能模塊相互獨(dú)立，每個(gè)模塊都能完成一個(gè)明確的任務(wù)， 實(shí)現(xiàn) 某個(gè)具體的功能。本設(shè)計(jì)按任務(wù)模塊劃分的程序主要有主程序、讀溫子程序、顯示子程序、定時(shí)器中斷子 程序、外部中斷子程序等。3、主程序設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始化程序，完成單片機(jī)內(nèi)各模塊 的設(shè)置和液晶實(shí)現(xiàn)初始化，然后進(jìn)入主程序循環(huán)。在主程序循環(huán)中，先根據(jù)按鍵情況對(duì)溫度情況進(jìn)行處理，然 后判斷是否有回波，若完畢則進(jìn)行外部中斷子

14、程序。 主程序的流 程圖如圖3.11所示。其運(yùn)行編寫的程序附后。定時(shí)器中斷子程序：在定時(shí)器中斷子程序中， 需要完成2個(gè)定時(shí)器初值，開啟超聲波信號(hào)發(fā)送一段時(shí)間并關(guān)閉，打開外部中斷等。外部中斷子程序: 在外部中斷子程序中，需要完成關(guān)閉外部中斷子程序，判斷是否讀取數(shù)據(jù)及是否清數(shù)組地址等。4、調(diào)試和測(cè)試在手持測(cè)距儀的PCB布局中要注意以下幾點(diǎn)：1、超聲波發(fā)射傳感器與接收傳感器安裝位置要位于PCB邊沿同一水平面上；2、 超聲波接收模擬電路相關(guān)器件盡量靠近， 減少連線長(zhǎng)度; 電路制作好后，手持測(cè)距儀主要需要調(diào)試超聲波發(fā)射接收波形， 用示波器查看超聲波接收信號(hào)與發(fā)送信號(hào)間時(shí)間差是否隨障礙 物的距離變化而變化

15、，并且具有一定3、整靠近，流、穩(wěn)壓電路相關(guān)器件盡量形成局部小模塊。的線性關(guān)系。 首先查看超聲 波發(fā)射電路的555芯片的4腳有沒有產(chǎn)生40KHZ的方波信號(hào)，然 后檢查超聲波接收電路的CX20106的7腳波形是否正確，然后再 看超聲波頭的接收和發(fā)送的波形是否正確。實(shí)際距離（cm）矯正后實(shí)測(cè)顯示距離（cm）誤差（cm）相對(duì)誤差（%2022210.00%3034413.33%4044410.00%5055510.00%606558.33%707668.57%808667.50%909666.66%10017077.00%11011776.36%誤差分析：由于環(huán)境的影響，還有電路本身的干擾，以及人眼測(cè)量

16、的不準(zhǔn)確，傳感器和其他元器件本身以及程序的不同得到的實(shí)際值不是理想線性。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速 度；超聲波反射回波很難精確捕捉， 致使超聲波在空氣中傳播的 時(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影 響。電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會(huì)造成測(cè)量誤差。 超聲波波速入射角影響：超聲波波束入射角也會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生 影響， 由于系統(tǒng)是用來測(cè)量點(diǎn)和面的距離，貝y被測(cè)物表面， 超聲 波發(fā)射探頭和接收探頭三者之間存在一個(gè)幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度，如果這個(gè)角度不是0度，系統(tǒng)測(cè)量到的距 離是被測(cè)物與接收探頭之間的距離而不是和測(cè)量參考面之間的 距離，這就會(huì)造成測(cè)量誤

17、差。5、總結(jié)通過這一次的實(shí)訓(xùn)，讓我受益匪淺。我的電路板由于一開始時(shí)轉(zhuǎn) 印腐蝕時(shí)沒有及時(shí)把一些斷掉的連接線用油性筆補(bǔ)好就匆匆腐 蝕導(dǎo)致在之后的焊接出現(xiàn)了大面積的斷路，讓我在檢查電路板是否連接完好時(shí)花費(fèi)了很多時(shí)間。由于我的焊接技術(shù)不是很熟練， 以至于在檢查電路時(shí)補(bǔ)焊也花了不少時(shí)間，電路板的先天不足讓我在接下來的調(diào)試和測(cè)試?yán)щy重重，這也算是一次心急的教訓(xùn) 了。其次，本次的電路設(shè)計(jì)讓我對(duì)PCB電路的設(shè)計(jì)有了深度的了 解。不僅元器件的標(biāo)號(hào)要按照特定的規(guī)則放好位置，顯得整齊明顯，而且元器件的擺放不再是隨心所欲， 要根據(jù)實(shí)際的電路功能， 最好是根據(jù)超聲波發(fā)射電路、 超聲波檢測(cè)接收電路、主控制電路，電源電路的分類一部分一部分的擺放，以及實(shí)際的電路測(cè)量中能起到方便調(diào)試和測(cè)試為目地來擺放的。出現(xiàn)的飛線也有了一些規(guī)定：不能過長(zhǎng)，考慮到焊接的方便最好是一條短直線，還有不能 出現(xiàn)致命的問題，比如我一開始由于標(biāo)號(hào)不是很清晰明了，導(dǎo)致我腐蝕好的一塊新電路板出了一個(gè)致命的問題，兩個(gè)超聲波頭沒有放在同一個(gè)方向，把一個(gè)蜂鳴器當(dāng)成超聲波頭來用了。結(jié)果可想而知，我只好重新布線、轉(zhuǎn)印、腐蝕，其實(shí)只要再細(xì)心一些就 不用花費(fèi)那么多的時(shí)間了，我想這次慘痛的失敗教訓(xùn)會(huì)讓我在我 今后的電路設(shè)計(jì)中更加細(xì)心， 我想這也是一種好處吧， 從失敗中 吸取教訓(xùn)，然后才能在接下來的工作