超聲波測距儀的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1、超聲波測距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要超聲波測距系統(tǒng)采用芯片STC89C52作為系統(tǒng)的主控制器，采用NE555作為系統(tǒng)的脈沖發(fā)射源，結(jié)合3位7段數(shù)碼管液晶顯示，實(shí)現(xiàn)了測量距離大，測量精度高，并能實(shí)時顯示，無明顯失真。關(guān)鍵詞:實(shí)時超聲波測距第1章設(shè)計(jì)主題和要求1.1設(shè)計(jì)要求利用壓電超聲換能器和單片機(jī)作為控制器，完成了超聲波測距儀的軟硬件設(shè)計(jì)。1.2基本要求:(1)具有反射式超聲波測距功能，測量距離為0.1m 3.0m；(2)測距精度:誤差1cm；(3)用LED數(shù)碼管顯示測試距離；(4)實(shí)時顯示測量的距離，顯示格式為。米。第二章系統(tǒng)總體方案論證2.1總體系統(tǒng)計(jì)劃題目要求設(shè)計(jì)一種利用超聲波反射原理測距并實(shí)時同

2、步顯示的超聲波測距儀。因此，該系統(tǒng)可分為四個模塊:發(fā)射、接收、顯示和主控模塊，如圖2.1所示:主控制模塊主控制模塊發(fā)射艙接收模塊顯示組件圖2.1系統(tǒng)的基本框圖根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的需要，為了使系統(tǒng)的測量距離更遠(yuǎn)，精度更高，提高系統(tǒng)的整體完善性，對上述系統(tǒng)的各個功能模塊逐一進(jìn)行了方案論證:2.2主控制模塊2.2.1主控模塊概述主控制器模塊實(shí)際上是一個簡化的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，具有計(jì)算機(jī)功能，但不稱為計(jì)算機(jī)設(shè)備或設(shè)備。它是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁剪的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等全面而嚴(yán)格的要求。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。2.2.2主控模塊方案

3、選擇根據(jù)以上知識，考慮到目前市場上常用的AVR、61、51微控制器，我們有以下三種方案可供選擇。方案1: AVR MCUAVR單片機(jī)品種豐富，有ATtiny，AT90S，ATmeg系列。每個系列都有不同的型號，價(jià)格適中。相對來說，相對于51單片機(jī)，它的資源更多，其部門也集成了A/D和PWM輸出，但在系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展方面并不是很好。這種單片機(jī)主要應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，在語音處理方面沒有優(yōu)勢。方案二:SPCE061A。凌陽MCU的資源比較豐富，32K16bitFlash，兩個D/A通道，一個全雙工異步串口(UART)方便其與其他控制器通信。而且它的編程和C語言非常相似。最重要的是，在語音處理方面有著

4、得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，凌陽公司提供了豐富的技術(shù)支持。方案三:51單片機(jī)51單片機(jī)的最小系統(tǒng)板非常簡單便宜，但是51單片機(jī)的RAM(128bit或者256bit)和ROM(4KB或者8KB，特別是AT89S8253是12KB)都比較小，而且單元沒有集成D/A和A/D，不方便語音處理，擴(kuò)展系統(tǒng)比較麻煩。由于本課題不需要語音播報(bào)，不需要外擴(kuò)A/D就可以實(shí)現(xiàn)其他要求，所以本實(shí)驗(yàn)選用性價(jià)比高的STC89C52作為主控芯片。綜上所述，本系統(tǒng)選用宏景公司生產(chǎn)的STC89C52作為核心控制器。2.3發(fā)射模塊超聲波發(fā)射原理超聲波是一種人耳聽不到的聲音，頻率高于20KHz。聲波在空氣中的傳播速度很慢，大約344m/s(

5、21，高空氣壓)。波長和速度之間的關(guān)系是:(2-1)是聲波的波長，是聲波在空氣中的傳播速度，是聲波的頻率。is the frequency of sound waves.從上面可以看出，40KHz超聲波的波長在這種相對較低的傳播速度下非常短，這意味著可以獲得更高的距離和方向分辨率。由于這種高分辨率特性，可以獲得高精度的測量。假設(shè)聲速為344 m/s，100Hz音頻的波長為3.44 m，1000hz(1 kHz)的波長為34.4 cm，而20kHz音頻的波長為1.7 cm，40 kHz音頻的波長為8.5 mm。為了達(dá)到題目中的技術(shù)指標(biāo)，需要詳細(xì)分析探頭的物理特性。在沒有任何驅(qū)動電路的情況下，只用

6、信號源和示波器定性分析接收探頭的電壓與發(fā)射探頭的距離和頻率以及施加在發(fā)射探頭兩端的電壓之間的關(guān)系。(1)檢查探頭的中心頻率:即當(dāng)發(fā)射探頭上的電壓不變，發(fā)射探頭與接收探頭的距離不變時，接收探頭的電壓隨發(fā)射探頭的頻率而變化。利用信號源施加在發(fā)射頭兩端的電壓的峰峰值(電壓太小會使接收到的信號很弱，所以為了方便觀察，這里取20V)，在15cm的地方放一塊木板。反射后，通過接收換能器，在示波器上直接觀察到電壓隨信號源發(fā)出的信號頻率的變化。實(shí)測數(shù)據(jù)見表1:表1中心頻率測量單位:毫伏頻率f31k32k33k36k39k39.6千接收Vpp10364876156199頻率f39.8千39.9千40k41k43

7、k45k接收Vpp20823622819214686測試條件:發(fā)射探頭施加的電壓為=20V，兩個探頭之間的距離為l=20 cm。從表1中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)射信號的頻率為39.9KHz時，示波器上觀察到的峰間電壓()最大，因此我們確定39.9KHz是超聲探頭共振的最佳頻率，即中心頻率。注意:這個測量結(jié)果只對我們使用的探頭有意義。(2)驗(yàn)證接收探頭的電壓與距離的關(guān)系。由于只需要定性分析，電壓和距離的關(guān)系可以通過查超聲波探頭數(shù)據(jù)得到，如圖2.2所示:從圖2.2可以看出，當(dāng)頻率為40KHz時，聲壓隨距離的衰減很小。頻率越高，衰減率越高，波的傳播距離越短。但根據(jù)不同的換能器略有不同，所以測得的最佳頻率與40

8、KHz略有偏差，如表1所示?？紤]到寫報(bào)告的方便，本文改用40KHz?？v觀所有使用波的反射測距，比如雷達(dá)，發(fā)射的信號都是CW(連續(xù)波)脈沖。通過計(jì)算接收波和發(fā)射波之間的時間間隔，根據(jù)2-2公式計(jì)算距離。(2-2)其中l(wèi)是超聲波傳播的距離，v是超聲波傳播的速度，t是傳播時間。圖2.2不同距離的聲壓衰減特性2.3.2超聲波發(fā)射模塊的方案選擇根據(jù)以上知識和相關(guān)資料，得到了發(fā)射模塊的兩種方案。方案一:以三級管理為核心。(1)三級脹管。主控制器發(fā)出的40KHz波通過三極管膨脹直接送到升壓變壓器，再通過換能器送出。這種電路比較簡單，受二極管特性的限制，電壓和電流的放大比較小。(2)三極管推挽功率放大。用分立

9、元件構(gòu)建的三極管推挽功率放大器在性能上要比放大電路優(yōu)越得多。然而，很難選擇參數(shù)和優(yōu)化性能。再者，三極管是流控放大器，會導(dǎo)致系統(tǒng)功耗增加。方案二:以NE555和變頻器為核心。使用NE555發(fā)射40KHz方波，頻率穩(wěn)定可控可調(diào)，通過CD4049中六個逆變器的互補(bǔ)對稱電路可以增加發(fā)射功率。綜上所述，本系統(tǒng)發(fā)射部分采用NE555和CD4049構(gòu)建的互補(bǔ)對稱功率放大，最終由換能器發(fā)射出去。2.4接收模塊接收模塊概述超聲波在金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠、紙張上可以100%反射，而布料、棉花、絨毛等?？梢晕针姴?。從圖2.2可以看出，聲波隨著距離的增加成比例衰減。經(jīng)測試，接收換能器(探頭)轉(zhuǎn)換的電流信號非

10、常微弱，需要對接收信號進(jìn)行放大。超聲波探頭具有良好的選頻特性，以提高系統(tǒng)的信噪比。因此，增加了濾波電路。通過以上的信號整形和放大，檢測后再由比較模塊進(jìn)一步整形，從而得到比較完整的方波信號?？傊覀兊玫搅巳鐖D2.3所示的接收模塊的基本框圖。比較比較MCU處理增強(qiáng)過濾波過濾波圖2.3接收模塊電路圖2.4.2接收模塊的設(shè)計(jì)和方案論證增強(qiáng)從換能器轉(zhuǎn)換的聲波信號很弱。為了提高信號的驅(qū)動能力，必須對接收信號進(jìn)行放大。有兩種放大方法:方案一:采用NE5532集成運(yùn)算放大器構(gòu)成二級放大電路，將整體信號放大5000倍，然后連接到電壓比較器。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，兩級電路的自激非常嚴(yán)重，電路復(fù)雜。方案二:用最簡單

11、的三極管放大接收到的信號，放大倍數(shù)在50倍左右。由于單級放大系統(tǒng)受干擾較小，放大倍數(shù)較小，但測量3M距離沒有問題，可以很好地滿足題目的要求。綜上所述，本系統(tǒng)選擇第二種方案。比較器方案一:檢測電路是由檢測二極管、電容和電阻組成的包絡(luò)檢測電路。檢測后，得到一個“”形狀的包絡(luò)信號。的包絡(luò)信號?！钡陌j(luò)信號。方案二:采用LM393專用電壓比較器，其優(yōu)點(diǎn)是閾值電壓調(diào)整簡單，外圍電路只需電阻。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇LM393作為電壓比較模塊。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的總體組成根據(jù)課題的要求，系統(tǒng)可以分為四個模塊，即:發(fā)送、接收、處理和顯示。發(fā)射:NE555發(fā)射一個頻率為40KHz的方波，經(jīng)CD4049的互補(bǔ)

12、電路升壓，最后由換能器轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)出。接收:接收換能器轉(zhuǎn)換的電信號經(jīng)放大、濾波、比較后由單片機(jī)處理。處理:51單片機(jī)最小系統(tǒng)板。接收模塊處理后的信號由該模塊判斷并計(jì)算距離。顯示:以STC89C52為控制核心，液晶顯示距離。因此，可以得到如圖3.1所示的系統(tǒng)組成框圖。STC89C52STC89C52系統(tǒng)主控制模塊發(fā)射電路接收電路發(fā)射者接收器被測對象顯示圖3.1超聲波測距系統(tǒng)總體框圖3.2發(fā)射模塊如圖3.2所示。一個八四用于驅(qū)動超聲波傳感器的40KHz方波由NE555制成的多諧振蕩器產(chǎn)生，多諧振蕩器受控制器的控制信號控制。40KHz的方波經(jīng)過CD4049調(diào)理，變成幅度為18V的方波，提高了發(fā)射功

13、率。0.01uFC20.01uFC1輸入輸出在外5.1KR210KR3地線VCC重置七討論六保持時間U1五CVOLT三在外2漂亮的VCC1KR1NE555一個八四0.01uFC20.01uFC1輸入輸出在外5.1KR210KR3地線VCC重置七討論六保持時間U1五CVOLT三在外2漂亮的VCC1KR1NE555注意:在電路中，9V電源連接到CD4049。圖3.2傳輸電路圖3.3接收模塊放大器電路如圖3.3所示。1Kr？220uFC21K用戶界面100uFC3R3監(jiān)視1041KR1R2NPN型的雌三醇環(huán)戊醚220uFC1VCC1Kr？220uFC21K用戶界面100uFC3R3監(jiān)視1041KR1

14、R2NPN型的雌三醇環(huán)戊醚220uFC1VCC圖3.3放大圖測量放大倍率 (3-1)。比較電路如圖3.8所示。在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)，雖然輸入信號經(jīng)過電容濾波，但仍然存在DC偏置，使得信號的DC信號上升。調(diào)整DC可以改變比較閾值，以解決輸入信號中的偏移問題。5.1KR25.1KR1輸出投入10KR3V+八電源電壓四地線三產(chǎn)出B2五-一個產(chǎn)出ALM393VCC五V+六五-七5.1KR25.1KR1輸出投入10KR3V+八電源電壓四地線三產(chǎn)出B2五-一個產(chǎn)出ALM393VCC五V+六五-七圖3.8比較電路3.4主控制模塊該模塊的核心是STC89C52。本模塊設(shè)計(jì)制造為51最小實(shí)驗(yàn)板，包括最基本的時鐘電路

15、和復(fù)位電路。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)介紹4.1.1軟件部分該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于超聲波反射原理。首先，單片機(jī)控制NE555產(chǎn)生40KHz連續(xù)波脈沖信號。然后通過外部中斷采集電平觸發(fā)信號，利用定時器按照2-2公式計(jì)算時間和距離，然后將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。4.2軟件框圖和流程圖4.2.1軟件框圖軟件框圖如圖4.1所示。主機(jī)主機(jī)出現(xiàn)40KHz脈沖。電平觸發(fā)信號采樣同步顯示圖4.1軟件框圖程序流程圖流程圖如圖4.2所示:初始化子程序初始化子程序啟用NE555發(fā)送脈沖。啟動定時器，延時1毫秒打開外部中斷有外部干擾嗎？等待顯示距離Y普通超時？Y關(guān)閉計(jì)時器。關(guān)閉超聲波圖4.2程序流程圖第五章系統(tǒng)調(diào)

16、試5.1測試儀器測試中使用的儀器和設(shè)備見表2。表2測試用儀器設(shè)備表序列號名稱、型號和規(guī)格量一個示波器DS5022M一個2SG1040信號發(fā)生器一個三萬用表一個四三腳架一個五卷尺一個5.2測試方法和結(jié)果在該系統(tǒng)的測試過程中，由于發(fā)射超聲波、接收和處理回波的時間延遲等不穩(wěn)定因素，測量數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間存在一定的誤差。為了減小測量誤差，超聲波探頭在使用前需要進(jìn)行校準(zhǔn)。我們的測試方法是:在實(shí)驗(yàn)室里拿出一個很平的一米左右高的實(shí)驗(yàn)桌，通過一面光滑的墻來驗(yàn)證數(shù)據(jù)，分別測試每一個距離段，用一把3米的直尺在每一個距離段做標(biāo)記來測量，以此來驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，用實(shí)際值來補(bǔ)償測量值。我們校準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示:表3第

17、一次校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表測試溫度T=12.80單位:米實(shí)際價(jià)值0.2000.5000.8001.0001.200測量值10.2330.5180.8231.0281.234測量值20.2300.5180.8260.0371.231測量值30.2330.5150.8291.0261.234測量值40.2300.5180.8201.0281.234測量值50.2300.5210.8261.0291.231測量值60.2330.5180.8261.0261.231測量值70.2300.5150.8261.0261.231測量值80.2330.5000.8291.0291.231測量平均值0.2320.5150

18、.8260.9041.232實(shí)際價(jià)值1.5001.8002.0002.5003.000測量值11.5331.8212.0302.5313.031測量值21.5301.8242.0272.5373.024測量值31.5301.8212.0302.5363.036測量值41.5301.8272.0272.5273.041測量值51.5311.8232.0272.5413.047測量值61.5331.8212.0302.5363.027測量值71.5361.8272.0302.5393.030測量值81.5331.8212.0272.5363.025測量平均值1.5321.8232.0292.535

19、3.033以實(shí)際距離為橫坐標(biāo)，以測量距離的平均值為縱坐標(biāo)，得到如圖5.1所示的校準(zhǔn)曲線:圖5.1第一條校準(zhǔn)曲線注:由于環(huán)境的影響，系統(tǒng)的讀數(shù)會不穩(wěn)定，所以表1和表2中記錄的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)相對穩(wěn)定時讀取的值。通過多次標(biāo)定，從圖5.1可以看出，曲線基本上是一條45o的直線，可以很好地滿足要求的精度。5.3測試誤差分析:對于表3，可以計(jì)算系統(tǒng)的平均誤差。實(shí)際價(jià)值0.2000.5000.8001.0001.200測量平均值0.2020.4890.7920.9991.200相對誤差1.18750000%2.12500000%0.96875000%0.10000000%0.02083333%實(shí)際價(jià)值1.400

20、1.5002.0003.000測量平均值1.4071.5032.0122.999相對誤差0.48214286%0.20833333%0.60625000%0.02083333%由此可以計(jì)算出平均相對誤差:(5-1)當(dāng)然，以上相對誤差只是在非常理想的情況下計(jì)算的。錯誤原因分析:1)由于超聲波在空氣中的傳播會隨著距離的增加而逐漸衰減，所以測得的距離不一定被第一次回波所反映；2)超聲波傳播速度的變化影響測距精度，溫度會影響傳播速度，從而影響精度。3)超聲波束的集中度會明顯影響測距精度，現(xiàn)場環(huán)境等其他因素也會影響測量結(jié)果。4)由于校準(zhǔn)條件和測試環(huán)境的限制，不可能在精度上校準(zhǔn)與實(shí)際值完全相同的校準(zhǔn)。5.

21、4調(diào)試中遇到的問題及解決方法問題1:三極管放大的正弦信號輸入到LM393電壓比較器。如果輸出正確，應(yīng)該是方波，但是用示波器測量沒有信號。解決方法:經(jīng)檢查，電路無焊接問題。信號發(fā)生器輸出的具有相同幅度的方波被添加到輸入端，并且比較器的輸出具有正確的方波。在測量放大的信號并去除交流耦合后，發(fā)現(xiàn)該信號中約有2V DC，因此提高閾值，直到輸出方波。這個問題解決了。問題2:下載程序后，最大顯示0.50m。解決方法:對于軟件問題，原因還是思維問題。更改測量開關(guān)時間，并調(diào)整顯示的時間。正常情況下，離天花板的距離(約3m)可以在實(shí)驗(yàn)室測量。問題三:顯示不穩(wěn)定。解決方法:由于程序執(zhí)行和顯示需要一定的時間，系統(tǒng)需

22、要實(shí)時測量，兩者之間的協(xié)調(diào)性很難控制。程序中時間控制的很好，解決了顯示問題。第六章結(jié)論經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動測距和供電下的實(shí)時顯示功能。在3米的距離上，測量速度快，準(zhǔn)確，精度高。然而，作品的不足之處在于，由于測量環(huán)境和校準(zhǔn)工具的限制，測量距離無法達(dá)到遠(yuǎn)目標(biāo)，AGC模塊的成敗是系統(tǒng)測量距離加長的一個非常重要的因素。由于所學(xué)知識和實(shí)驗(yàn)時間的限制，不可能更完善。這種超聲波系統(tǒng)在測量短距離時顯示穩(wěn)定、快速、實(shí)時，但在測量長距離時顯示不穩(wěn)定，顯示與測量的程序協(xié)調(diào)性有待提高。通過總結(jié)，我還得出一個重要的結(jié)論。如果超聲的硬件系統(tǒng)不斷完善，程序?qū)懫饋頃奖?，效果會更好。因此，在今后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中，不斷

23、強(qiáng)化理論基礎(chǔ)，總結(jié)豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，將是我的目標(biāo)。參考資料:1紅色。模擬電子技術(shù)。，工程大學(xué)，2001年2萬晨。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的仿真編程與實(shí)踐。，工程大學(xué)，20033建陵. 51系列單片機(jī)開發(fā)合集。，電子工業(yè)，20074易綱等.新型MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).技術(shù)大學(xué)，2003年附錄:附錄一:主要部件清單序列號模型量一個STC89C52一個2NE555一個三LM393一個四CD4049一個五9013一個六七段數(shù)碼管三七超聲波探頭1右附錄二:程序清單#include#定義uchar無符號字符#定義uint無符號整數(shù)sbit du=p26；sbit we=p27；sbit an1=p34；sbit go=p17；sbit p32=p32；sbit deng=p10；sbit beep=p23；uchar a、b、c、e、f；uint n=0，m1=0，d=0，m2=0，m3=0，x=0，n1=0，n2=0，k = 0；無效延遲(單位x)for(a = x；a 0；答-)for(b = 43；b 0；b -)for(c = 10；c 0；c-)；無效延遲2()uchar nn0 = 0；for(nn0 = 250；nn0 0；nn0-)；uint s