超聲波測(cè)距電路的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

PAGE目錄第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研…………（1—3）1.1超聲波簡(jiǎn)介11.2設(shè)計(jì)主要內(nèi)容11.3超聲波相關(guān)圖片21.4調(diào)研總結(jié)3第二部分設(shè)計(jì)說(shuō)明……………………（4—6）2.1設(shè)計(jì)方案及選擇42.1.1方案一基于ARM[7]的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)以S3C2410為核心42.1.2方案二采用CPLD來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀42.1.3方案三方案三：采用51單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)5第三部分設(shè)計(jì)成果……………………（7—12）3.1超聲波測(cè)距原理73.2發(fā)射原理圖73.3接受原理圖83.4驅(qū)動(dòng)顯示圖83.5設(shè)計(jì)思路93.6設(shè)計(jì)成果展示圖10第四部分結(jié)束語(yǔ)…………（13）第五部分致謝………………（14）第六部分參考文獻(xiàn)………（15）第七部分附錄……………（16）

第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.超聲波簡(jiǎn)介我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1～5兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[4]?？捎糜跍y(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石等。在醫(yī)學(xué)，軍事，工業(yè)，農(nóng)業(yè)上有明顯的作用。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。在我國(guó)北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣濕度。這就是超聲波加濕器的原理。對(duì)于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥品很難血流到打患病的部位。利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎。2.設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容單片機(jī)控制超聲波模塊發(fā)射及檢波接收，其系統(tǒng)原理框圖如圖3.超聲波測(cè)距儀相關(guān)圖片近年來(lái)，由于導(dǎo)航系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)測(cè)距、機(jī)械加工自動(dòng)化等方面的需要，自動(dòng)測(cè)距變得十分重要。與同類測(cè)距方法相比，超聲波測(cè)距法具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）相對(duì)于聲波，超聲波有定向性較好、能量集中、在傳輸過(guò)程中衰減較小、反射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。（2）和光學(xué)方法相比，超聲波的波速較小，可以直接測(cè)量較近的目標(biāo)，縱向分辨率高；對(duì)色彩、光照度、電磁場(chǎng)不敏感，被測(cè)物體處于黑暗、煙霧、電磁干擾、有毒等比較惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。特別是在海洋勘測(cè)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，便于小型化和集成化。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們利用超聲波的技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在不斷發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)。超聲波測(cè)距技術(shù)在社會(huì)生活中已有廣泛的應(yīng)用，目前對(duì)超聲波的精度要求越來(lái)越大。超聲波作為一種新型的工具在各方面都有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。未來(lái)超聲波測(cè)

第二部分設(shè)計(jì)說(shuō)明1.設(shè)計(jì)方案及選擇1.1方案一基于ARM[7]的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)以S3C2410為核心，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該芯片對(duì)其外圍電路的適時(shí)控制,并提供給外圍電路各種所需的信號(hào),包括頻率振蕩信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)和譯碼顯示信號(hào)等等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)更重要的是該種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去[8]。頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40kHz左右，具有一定間隔調(diào)制脈沖波信號(hào)。測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖系統(tǒng)由測(cè)距系統(tǒng)、控制和顯示部分組成。2.方案二采用CPLD來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，主要是在軟件上運(yùn)用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）編寫程序使用MAX+plusII軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高頻率可達(dá)175.4MHz，可用于組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計(jì)數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測(cè)距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,還需要一塊用來(lái)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在FPGA中還要用硬件描述語(yǔ)言(VHDL語(yǔ)言)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)編程也復(fù)雜。3.方案三采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：S=vt/2方案一統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)探傷和實(shí)時(shí)顯示功能，集探傷、測(cè)距等多種功能于一體，所有運(yùn)算、處理、顯示都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；并且操作簡(jiǎn)單。使用方便，所有功能都有按鍵控制；測(cè)量速度快、準(zhǔn)確，結(jié)果顯示直觀；儀器依靠電池供電，設(shè)有低功耗模式；體積小，攜帶方便，適用于室內(nèi)、野外等各種條件下作業(yè)。方案三計(jì)硬件簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，測(cè)距范圍適中。測(cè)量誤差可以控制在士1cm左右。系統(tǒng)軟件采用合理算法，提高了測(cè)量精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。另外其使用的51系列單片機(jī)以8051為內(nèi)核，兼容MCS-51系列單片機(jī)，內(nèi)部含有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫；用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以節(jié)省電能；支持ISP（在線編程），不需要把單片機(jī)從電路板取下來(lái)就可以擦寫程序；晶振頻率高達(dá)24M，運(yùn)行速度更快，價(jià)格也比較便宜；增了看門狗電路，防止程序“走飛”，更加安全可靠。與第二種方案相比，第三種使用的是單片機(jī)，編譯語(yǔ)言可以用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以比較簡(jiǎn)單。

第三部分設(shè)計(jì)成果1.超聲波測(cè)距的原理超聲波測(cè)距方法主要有三種：1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限；2）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響；3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離l。設(shè)l為測(cè)量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為c，則有l(wèi)=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。2.發(fā)射原理圖發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。本系統(tǒng)單片機(jī)的P1.0發(fā)出了一組方波脈沖信號(hào)，輸出波形穩(wěn)定可靠，但由于輸出電流和輸出功率非常低，所以還不足以推動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)射足夠的超聲波信號(hào)，所以在這里加入了一個(gè)單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路3.接收原理圖接收部分主要由接收換能器和放大電路組成。里面的放大電路是一個(gè)三級(jí)運(yùn)算放大器A1，功能是將從目標(biāo)處反射回來(lái)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大整形后送入計(jì)數(shù)控制電路部分。由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，回波信號(hào)很小，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅度也較小，此要求將信號(hào)放大60萬(wàn)倍左右。采用三級(jí)放大：前兩級(jí)放大100倍，用高精密放大器LM318，帶寬為15MHz，充分滿足要求；第三級(jí)采用LF353運(yùn)算放大器，寬為4MHz。放大后的交流信號(hào)經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號(hào)整形為一個(gè)方波信號(hào)，輸出信號(hào)送入555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。4.驅(qū)動(dòng)顯示圖在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的LED電流即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU開銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的LED通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮，這時(shí)LED的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示5.設(shè)計(jì)思路◆溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為mm；◆溫度每隔900ms采樣一次，DS18B20在12位精度下轉(zhuǎn)換周期為750ms,故900ms滿足該速度要求；超聲波每隔60ms發(fā)送一次?！舭存IS為測(cè)量啟動(dòng)鍵；◆系統(tǒng)采用AT89S51的內(nèi)時(shí)鐘：12MHz；◆沒(méi)有使用看門狗功能；◆超聲波發(fā)送一定時(shí)間后才開始啟動(dòng)檢測(cè)，避免直達(dá)信號(hào)造成誤判。如圖6.設(shè)計(jì)成果展示圖

第四部分結(jié)束語(yǔ)本設(shè)計(jì)是以AT89C51為核心，借助于模數(shù)電技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波測(cè)距的一些難題。靈活的運(yùn)用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)要求。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，利用超聲波的特性設(shè)計(jì)出的一種簡(jiǎn)單的測(cè)距系統(tǒng)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)中，我們的設(shè)計(jì)思維，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力得到了很大的提高，也對(duì)電子設(shè)計(jì)有了很大的興趣。現(xiàn)在的社會(huì)是科技的社會(huì)，在以后的學(xué)習(xí)生活中，我們會(huì)更加努力學(xué)習(xí)培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的能力，從而更加適應(yīng)社會(huì)。

第五部分致謝在此我要感謝我的老師，對(duì)我的教導(dǎo)與幫助。在一個(gè)學(xué)期的設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)當(dāng)中，我逐步了解了整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容和過(guò)程，并且學(xué)到了很多新的東西。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程的了解、設(shè)計(jì)不但使我加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)專業(yè)知識(shí)的全面認(rèn)識(shí)，更重要的是將理論知識(shí)應(yīng)用到了實(shí)踐中，應(yīng)用到了實(shí)際工程中，真正做到了學(xué)以致用、理論與實(shí)踐相結(jié)合。同時(shí)，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)中困難的克服，也鍛煉了我的思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及自學(xué)能力，在這次設(shè)計(jì)中我也對(duì)本專業(yè)前沿的一些知識(shí)和發(fā)展方向有了了解，開闊了我的眼界、擴(kuò)大了我的知識(shí)面，這些都將為我以后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計(jì)電路和調(diào)試電路。動(dòng)手能力得到很大的提高。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學(xué)到的知識(shí)。在以后工作和學(xué)習(xí)中我要加強(qiáng)對(duì)使用電路的設(shè)計(jì)和選用能力

第六部分參考文獻(xiàn)謝維成,楊加國(guó).單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006蔡菲娜.單片微型計(jì)算機(jī)原理和應(yīng)用[M].杭州大學(xué)出版社,1995[3]李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2002張齊等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基于C語(yǔ)言編程[M].電子工業(yè)出版社,2004吳延海.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)[M].重慶大學(xué)出版社,1997李麗霞.單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2002姜道連,寧延一,袁世良.用AT89C2051設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀[J].國(guó)外電子元器件,2000(10):張鵬,張有志.一種新型超生測(cè)距系統(tǒng)[J].山東:山東大學(xué)學(xué)報(bào),2003,33(1)李學(xué)海.PIC單片機(jī)實(shí)用教程－基礎(chǔ)篇（第1版）[M].北京航天航空大學(xué)出版社,2002賈伯年.傳感器技術(shù)[M].東南大學(xué)出版社,2000陳大新,胡學(xué)同,周杏鵬.利用FPGA改進(jìn)超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù),2005,24(2):57～59譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第三版）.北京:清華大學(xué)出版社,2005第七部分附錄代碼如下#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintvoiddelay(uintz){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}//voiddelay_20us(){ucharafor(a=0;a<100;a++);}//***************************************************************//顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序voiddisplay(uinttemp){ucharge,shi,bai;bai=temp/100;shi=(temp%100)/10;第25/29頁(yè)ge=temp%10;wela=1;P0=0xf7;wela=0;dula=1;P0=table[bai];dula=0;delay(1);dula=1;P0=0x00;//關(guān)位碼dula=0;wela=1;P0=0xef;wela=0;dula=1;P0=table[shi];dula=0;delay(1);dula=1;P0=0x00;//關(guān)位碼dula=0;dula=1;P0=table[ge];dula=0;wela=1;P0=0xdf;wela=0;delay(1);dula=1;P0=0x00;//關(guān)位碼dula=0;}//**voidmain(){uintdistance;test=0;Trig=0;//首先拉低脈沖