1課題設(shè)計目的及意義

1課題設(shè)計目的及意義1設(shè)計的目的隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(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)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。2設(shè)計的意義隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。2.設(shè)計思路1硬件電路設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管9012驅(qū)動。主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89S51來實現(xiàn)對超聲波模組進行控制，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。2超聲波測距儀的設(shè)計思路超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF(timeoffli)ht首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩類：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。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。3超聲波測距原理發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度U在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?超聲波發(fā)射和接收模組(V2.0)本文采用的超聲波測距模組集發(fā)射和接受為一體，內(nèi)部超聲波傳感器諧振頻率40KHz，模組傳感器工作電壓4.5V~9V，模組接□電壓4.5V~5.5V。提供三種測距模式，選擇跳線可以選擇短距、中距和可調(diào)距。本實驗采用短距(20~100cm)精度1cm。模組結(jié)構(gòu)示意圖如下：

□連接，同時將J1跳線設(shè)置為短距模式，J2跳線設(shè)置為非外部電源供電方式（此時開發(fā)板通過10PIN排線為模組供電，板上J5選擇5V,要把J2跳接到5v的一端）。這就完成了模組硬件的連接。超聲波諧振頻率調(diào)理電路圖如下：由單片機產(chǎn)生40KHz的方波由P1.0□送出，連接模組接口J4到模組的CD4049，而后面的CD4049則對40KHz頻率信號進行調(diào)理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。3單片機最小系統(tǒng)其作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。單片機最小系統(tǒng)主要由AT89S51單片機、外部振蕩電路、復位電路和+5V電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的XTAL1和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時鐘脈沖。在復位電路中，單片機RESET管腳一方面經(jīng)20F的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復位，另一方面經(jīng)開關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H,是單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動，因此，復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。4單片機測距原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr然后求出距離s=ct/2,式中的c為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計方法，限于實際需要，本電路只采用單路超聲波發(fā)射接收。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。5超聲波發(fā)射電路壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當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，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當共振板接受到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當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，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標志。本設(shè)計中發(fā)射器電路采用集成電路模塊不需考慮這些問題，主要是采用4069反相器在換能器兩端提供脈沖信號6超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路（如圖2-3）實驗證明用CX20106A接收超聲波無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容CS的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上。7主要程序主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時/計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對顯示端口卩0和P2清0;然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時約0.1ms（這也就是超聲波測距器會有一個最小可測距離的原因）后才可打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1us，所以當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（3—2）計算，即可得被測物體與測距器之間的距離。設(shè)計時取20C時的聲速為344m/s，則有

d=(vxt)/2=(172T/10000)cm (3—2)其中：T為計數(shù)器T0的計數(shù)值。測出距離后，結(jié)果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約為0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。程序如下：START:MOVSP,#4FHMOVR0,#40H ;40H43H為顯示數(shù)據(jù)存放單兀(40H為最高位)MOVR7,#0BHCLEARDISP:MOV@R0,#00HINCR0DJNZR7,CLEARDISPMOV20H,#00HMOVTMOD,#21H;T1為8位自動重裝模式，T0為16位定時器MOVTH0,#00H ;65ms初值MOVTL0,#00HMOVTH1,#0F2H ;40kHz初值MOVTL1,#0F2HMOVP0,#0FFHMOVP1,#0FFHMOVP2,#0FFHMOVP3,#0FFHMOVR4,#04H ;超聲波脈沖個數(shù)控制(為賦值的一半)

SETBPX0SETBET0SETBEASETBTR0；開啟測試定時器START1:LCALLDISPLAYJNB00H,START1;收到反射信號時標志位為1CLREALCALLWORKSETBEACLR00HSETBTR0;重新開啟測試定時器MOVR2,#64H；測量間隙控制（約4msx100=400ms）LOOP:LCALLDISPLAYDJNZR2,LOOPSJMPSTART1超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端□發(fā)送兩個左右的超聲波脈沖信號（頻率40KHz的方波），脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器TO打開進行時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行時間準確，所以采用匯編語言編程。ORG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPPINT0ORG000BHLJMPINTT0ORG0013HRETIORG001BHLJMPINTT1ORG0023HRETIORG002BHRETI超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入超聲波接收中斷程序。進入該中斷后，就立即關(guān)閉計時器T0,停止計時，并將測距成功標志字賦值1.※※※※※※中斷程序※※※※※※；T0中斷，65ms中斷一次CLREACLRTR0MOVTH0,#00HMOVTL0,#00HSETBET1INTT0:

SETBSETBEATR0；啟動計數(shù)器T0,用以計算超聲來回時間SETBTR1；開啟發(fā)超聲波用定時器T1OUT:RETI；T1中斷，發(fā)超聲波用INTT1:CPLVOUTDJNZR4,RETOUTCLRTR1；超聲波發(fā)完畢，關(guān)T1CLRET1MOVR4,#04HSETBEX0；開啟接收回波中斷RETIOUT:RETI；外中斷0,收到回波時進入PINTO:CLRTR0；關(guān)計數(shù)器CLRTR1CLRET1CLREACLREX0MOV44H,TL0；將計數(shù)值移入處理單元MOV45H,TH0SETB00H；接收成功標志RETI如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器TO溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值2，以表示本次測距不成功。8調(diào)試超聲波測距器的制作和調(diào)試都較為簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器TCT40—10F1（T發(fā)射）和TCT40—10S1（R接收），中心頻率為40KHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4~8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾性能。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當?shù)卣{(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗