高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講培訓課件

高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講第一章緒論第二章超聲測距技術方案分析第三章超聲波測距系統(tǒng)硬件部分設計第四章超聲波測距系統(tǒng)軟軟部分設計第五章系統(tǒng)實現與檢驗2高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講1.2本課題相關說明1.1選題背景及意義第一章

緒論3高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講1.1選題背景及意義超聲波測距是一種傳統(tǒng)而實用的非接觸測量方法，和激光、渦流和無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素的影響的優(yōu)點，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應能力，且結構簡單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機器人定位方面得到了廣泛的應用。但由于超聲波傳播聲時難于精確捕捉，溫度對聲速的影響等原因，使得超聲波測距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測距系統(tǒng)在測量精度要求更高的場合下的應用。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數，測距成為數據采集中要解決的一個問題。而由于超聲波的速度相對光速小的多，其傳播時間比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術、光電開關相結合來實現非接觸式距離測量的方法。因為它是非接觸式的，所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。比如要測量有毒或有腐蝕性化學物質的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內氣孔大小的檢測和機械內部損傷的檢測等。4高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講1.2本設計相關說明根據設計要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S52單片機作為主控制器，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成，其中硬件部分主要由單片機主系統(tǒng)及超聲波發(fā)射模塊、超聲波接受模塊、溫度補償模塊、語音播報模塊、LCD顯示模塊幾部分組成。采用AT89S52來實現對各個子模塊的控制。由單片機計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，結合超聲波聲速通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，并將距離和溫度補償模塊所測得的環(huán)境溫度在LCD屏幕上予以顯示。軟件部分主要有主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序。5高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講項目概述2.2超聲測距原理2.3超聲測距系統(tǒng)的主要參數2.1超聲與超聲的特性第二章

超聲測距技術方案分析6高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講2.1超聲與超聲的特性聲音是與人類生活緊密相關的一種自然現象。當聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據大量實驗數據統(tǒng)計，取整數為20000赫茲)時，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。超聲波的特性有：（1）束射特性 由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學上的所有定律。即超聲波射線從一種物質表面反射時，入射角等于反射角，當射線透過一種物質進入另一種密度不同的物質時就會產生折射現象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質的密度差別愈大，則折射率也愈大。 7高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講

（2）吸收特性

聲波在各種介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這是因為介質要吸收掉它的部分能量。對于同一介質，聲波的頻率越高，介質吸收就越強。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為歷害，在液體中傳播時吸收就比較弱，在固體中傳播時吸收是最小的。 （3）超聲波的能量傳遞特性

超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應用，主要原因還在于比聲波具有強大得多的功率。為什么有這么強大的功率呢。因為當聲波進入某一介質中時，由于聲波的作用使物質中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率—樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質量有關外，主要是由分子的振動速度的平方決定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質分子足夠大的功率。 （4）超聲波的聲壓特性

當聲波進入某物體時,由于聲波振動使物質分子相互之間產生壓縮和稀疏的作用，將使物質所受的壓力產生變化。由于聲波振動引起附加壓力現象叫聲壓作用。8高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講2.2超聲測距原理最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離S，即：S=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關。V=331.4+0.607T在使用時，如果傳播介質溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法對測量結果加以數值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。9高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講3.2單片機處理單元3.3發(fā)射模塊3.1概述第三章

超聲測距技術硬件部分設計3.5語音播報模塊3.4接收模塊3.6溫度補償模塊10高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講3.1概述整體電路的控制核心為單片機AT89S52。另外還有溫度測量電路測量當時的空氣溫度，等到把數據送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調整，使測量精度能夠達到要求。整體結構圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機電路,顯示電路,語音播報電路和溫度補償電路等幾部分模塊組成。單片機控制發(fā)射模塊發(fā)出40kHZ的超聲波信號并開始記時，通過超聲波發(fā)射器輸出超聲波信號；超聲波接收器將接收到的超聲波返回信號送至接收模塊，經處理后，送至中斷信號至單片機，單片機啟動中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算和修正，得出距離數并送LCD顯示。顯示內容包含當前溫度值和所測距離。11高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講硬件結構圖12高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講整體設計圖13高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講3.2單片機處理單元 單片機正常工作時，都需要一個時鐘電路和一個復位電路來構成單片機的最小系統(tǒng)。時鐘電路用于產生單片機工作時所需的時鐘信號，其有兩種時鐘方式：外部時鐘和內部時鐘。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片單片機同時工作，以便于同步。本設計只有一片單片機，采用內部時鐘方式。AT89S52內部有一個可控制的負反饋反向大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、快速性以及溫度穩(wěn)定性。出于對測距精度的考慮，本設計采用12MHZ的晶體振蕩器，c1和c2的電容值約為100PF。

復位是單片機的初始化操作，只要RST引腳出至少保持兩個機器周期的高電平就可以實現復位。在RST端出現高電平后的第二個周期，執(zhí)行內部復位，以后每個周期重復一次，直至RST端變低。單片機的復位電路有兩種：上電復位和手動復位。本設計采用手動復位方式。當按下復位按鈕時，電容迅速放電，使RST端迅速變?yōu)楦唠娖?，復位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使RST端恢復低電平。14高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講單片機最小系統(tǒng)電路圖15高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講3.3發(fā)射模塊超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T能向外界發(fā)出40kHz左右的方波脈沖信號。發(fā)射模塊的核心是MAX232集成塊。由于單片機端口輸出功率不夠，故需要通過發(fā)射模塊來實現推動超聲波發(fā)射探頭工作的效果，通過編程由單片機P3.1端口輸出脈沖信號至發(fā)射模塊，發(fā)射模塊隨即控制超聲波發(fā)射器TCT40－16T以將超聲波發(fā)射到空氣中。16高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講資料發(fā)射模塊電路圖17高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講3.4接收模塊TCT40－16T發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，返回的部分有超聲波接收器接收。超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到，超聲波接收換能器TCT40－16R將接收到的反射波轉換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后得到一個負脈沖送給單片機的3.2(INT0)引腳，以產生一個中斷。

在這里我采用的是集成電路CX20106A，這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與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。18高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講接收模塊電路圖19高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講3.5語音播報模塊語音播報模塊電路圖20高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講3.6溫度補償模塊DS18B20是美國DALLS公司推出的溫度傳感器芯片。為提高測距精度，采用溫度檢測電路。溫度測量電路是基于DS18B20單線式數字溫度傳感器，電路非常簡單，可直接將其DS-D端與單片機P3.3口（詳見圖3.6）相連。利用溫度檢測電路實時的測量環(huán)境溫度T并將結果送至單片機，單片機分析計算超聲波的修正后速度。21高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講溫度補償模塊電路圖22高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講4.2發(fā)射程序和接收中斷程序4.3通過溫度修正速度程序4.1概述第四章

超聲測距技術軟件部分設計4.4主程序23高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講4.1概述超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。采用C語言編程，翻譯成匯編語言寫入單片機。24高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講4.2發(fā)射程序和接收中斷程序voidsend()//脈沖波發(fā)送{ uchari;TH0=0; TL0=0;//清定時0 TR0=1;//開定時0 ET0=1; for(i=0;i<10;i++) { sg=~sg;//超聲波發(fā)送引腳

_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); } sg=1; delay(36); EX0=1;//開外部中斷 }25高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講4.3通過溫度修正速度程序uintget_temp(){floatwendu;init18b20();wr18b20(0xcc);wr18b20(0x44);init18b20();wr18b20(0xcc);wr18b20(0xbe);temp_data[0]=read18b20();temp_data[1]=read18b20();tvalue=temp_data[1];tvalue<<=8;tvalue|=temp_data[0];if(tvalue<0x0fff)tflag=0;else{tvalue=~tvalue+1;tflag=1;}wendu=tvalue*(0.625);tvalue=wendu*100;return(tvalue);}27高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講floatcomputerv(void){floatv;v=331.4+0.607*tvalue/1000;return(v);}28高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講4.4主程序

{ ulongs; ucharflag1; TMOD=0x11;//定時0方式1 TH0=0; TL0=0;//清定時值;//EX0=1;//開外部中斷0 IT0=1;//外部中斷0下降沿觸發(fā)

EA=1;//開總中斷

lcd_init(); flag=0; while(1) {flag1=1; if(flag1==1) {tvalue=get_temp(); display2(tvalue); print(1,1,"溫度:"); printstr(4,1,disbuft,7); c=computerv(); send(); while(Tout==0) {if(flag==1)

29高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講

{s=computers(c); if(s<1462) {print(3,2,"盲區(qū)"); sound_play3();} else {display(s); print(1,2,"前方距離:"); printstr(3,3,distance,7); sound_play1(); sound_play2();} flag=0; while(1);}} if(Tout==1) {Tout=0;ErrorDisplay();} } }30高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講5.2功能測試5.1硬件組實物圖第五章

系統(tǒng)實現與檢驗5.3誤差分析31高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講5.1硬件實物組圖32高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯宣講33高精度超聲波測距儀的設計和實現答辯