超聲波測(cè)距(高度定位控制和測(cè)量系統(tǒng))3圖俱全

PAGEPAGE2目錄摘要 5第一章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 71.1超聲波測(cè)距原理 71.2超聲波測(cè)距系統(tǒng) 7第二章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 82.1超聲波發(fā)生電路 82.2超聲波接收電路 92.3溫度的補(bǔ)償 112.4LED動(dòng)態(tài)顯示電路 11第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 123.1主程序結(jié)構(gòu) 133.2中斷程序結(jié)構(gòu) 143.3回波接收程序 14第四章誤差分析 154.1.時(shí)間誤差 154.2.超聲波傳播速度誤差 15第五章調(diào)試 15第六章整機(jī)原件清單 16第七章總結(jié) 167.1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況 167.2心得體會(huì) 17參考文獻(xiàn) 18附錄一 19附錄二 20附錄三 21摘要高度定位控制和測(cè)量系統(tǒng)也就是我們常說(shuō)的超聲波測(cè)距。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。而電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展，使高度定位控制和測(cè)量系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。

超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)技術(shù)。與其它方法相比，它不受光線、被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨率，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：傳感器、測(cè)距、測(cè)量系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、高度定位PICKHighlypositioningcontrolandmeasurementsystemisalsoweoftensaytheultrasonicranging.Duetothestrong,theenergyconsumptionofultrasonicdirectivityslowlyinthemediumofcommunication,distance,andisoftenusedtomeasurethedistanceofultrasonic,suchasrangefinderandmateriallevelmeasurementinstrumentetccanallthroughtheultrasonic.Andelectronictechnologyandthedevelopmentofpiezoelectricceramicmaterials,highpositioningcontrolandmeasuringsystemshavebeendevelopedrapidly.Ultrasonicrangingisanon-contactdetectiontechnologies.Comparedwithothermethods,itislightanddarkness,theanalyteindust,smoke,electromagneticinterference,toxicetcharshenvironmentshavecertainabilitytoadapt.Therefore,inrobotcontrollevelmeasurement,vehiclenavigation,automaticobjectrecognitioniswidelyused.Especiallytheapplicationintheair,theairvelocityrangeduetolow,theechosignalalongthedirectionofpropagationofcontainsinformationonthestructure,veryeasilywithhighresolution,anditsaccuracyishigherthanothermethodsfor,Andtheultrasonicsensorhassimplestructure,smallvolume,thecharacteristicsuchasbeingreliablesignalprocessing.Keywords:sensor,andmeasurementsystem,thedesign,thehighposition第一章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案1.1超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測(cè)距的公式表示為：L=C×T

式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度其中，取值在溫度變化不大時(shí)可取344m/s；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。

由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度，在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，所以就需要對(duì)相關(guān)電路等進(jìn)行具體細(xì)致的改進(jìn)。1.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般的超聲波測(cè)距系統(tǒng)由超聲換能器、換能器驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。超聲換能器是用來(lái)發(fā)射和接受超聲信號(hào)；換能器驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)產(chǎn)生一定頻率的交變電壓作為換能器的工作電源；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于捕捉、采集回波信號(hào)，一般由觸發(fā)電路、采樣電路、微處理器組成。如LM1812是一種超聲波測(cè)距的專用集成電路，它擁有換能驅(qū)動(dòng)、回波觸發(fā)等功能。如圖1.1，為超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖，由發(fā)射傳感器和接受傳感器，振蕩電路、時(shí)基電路，距離識(shí)別電路等組成。振蕩電路、時(shí)基電路由LM1812完成。第二章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1超聲波發(fā)生電路超聲波的回波信號(hào)較弱，在距離遠(yuǎn)的情況下只能達(dá)到毫伏級(jí)。所以為了加大超聲波測(cè)距系統(tǒng)的量程范圍就要加入驅(qū)動(dòng)電路。一般采用MAX202雙路形式來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)形式，其中T1out和T2out電壓值可達(dá)到V。圖中的三極管可作為MAX202的開(kāi)關(guān)，用單片機(jī)引腳P0.4控制。T1in和T2in來(lái)自單片機(jī)，經(jīng)過(guò)202輸出負(fù)邏輯電平。T1in和T2in以80KHz頻率高低電平正負(fù)交替變換時(shí)候，在T1out和T2out之間就會(huì)產(chǎn)生40KHz的方波，引腳電壓在V交替變化，如此就增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。如下圖2.1超聲波發(fā)生電路圖。三極管為開(kāi)關(guān)，在發(fā)射完10個(gè)超聲波后可以關(guān)閉MAX202，這樣可以減少電源帶來(lái)的一定的干擾。2.2超聲波接收電路超聲波接收電路圖，如下。為了提高精度，減少干擾，設(shè)計(jì)中采用了抗干擾技術(shù)對(duì)電路的供電進(jìn)行了一定的處理。運(yùn)放采用雙電源供電，這一電路采用了9V供電，所以運(yùn)放提供了2.5V的正向電壓，如此就使交流信號(hào)正負(fù)端等價(jià)進(jìn)行放大。超聲波接收時(shí)，電容起濾波作用，信號(hào)進(jìn)入放大后被傳送到LMV331.如此，比較器的輸出端得到40KHZ的方波被輸入單片機(jī)INT0用來(lái)產(chǎn)生中斷計(jì)時(shí)。其中，第一級(jí)放大20倍左右，第二級(jí)放大10000倍（均值）。減小盲區(qū)就是通過(guò)在發(fā)射超聲波之前做一次循環(huán)指令將增加到最大值來(lái)實(shí)現(xiàn)。比較器這一部分調(diào)節(jié)不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)大問(wèn)題（輸出端會(huì)有高頻輸出），這是因?yàn)楸容^器相對(duì)靈敏，變化小的信號(hào)就會(huì)引起大的輸出，使VOH和VOL相互轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)中一般用比較器的正反饋產(chǎn)生滯環(huán)特性來(lái)降低比較器的靈敏度，這樣就減少了干擾。另外，比較器的輸入端需要穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，所以要加電容，用來(lái)穩(wěn)定電壓和提高電路工作的穩(wěn)定性。2.3溫度的補(bǔ)償溫度對(duì)超聲波速度影響很大。使用DS18B20進(jìn)行溫度測(cè)控，它的測(cè)量范圍寬，精度高。近似計(jì)算公式為：V=331.4+0.6Tm/s（V為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度）2.4LED動(dòng)態(tài)顯示電路下圖為L(zhǎng)ED顯示電路，為了增加亮度，可以采用74HC245加以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，在共陰端用ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)。4位LED動(dòng)態(tài)顯示需要一個(gè)7位I/O口和另外4位I/O口，其中一個(gè)控制段選碼，另一個(gè)控制位選碼。由于所有位的段選都有一個(gè)I/O口的控制，因此每個(gè)瞬間，只能顯示相同的字符，可采用掃描顯示方式使在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符，即LED的動(dòng)態(tài)顯示。第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)以上敘述，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：信號(hào)控制、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸與顯示。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。而在這幾個(gè)部分中，最主要的、難度最大的就要數(shù)主程序結(jié)構(gòu)了，它的設(shè)計(jì)好壞直接關(guān)系整個(gè)課題的效果。3.1主程序結(jié)構(gòu)主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了子程序和中斷服務(wù)程序。主程序流程如下圖：3.2中斷程序結(jié)構(gòu)中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40KHz脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中要從把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并保存在RAM中，再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后顯示輸出。3.3回波接收程序回波接收程序流程圖：第四章誤差分析根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。

4.1.時(shí)間誤差

當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s

(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△t

≈0.0000029s

即2.9ms。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。4.2.超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。

對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s,

30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量所以在測(cè)量的時(shí)候應(yīng)該盡力使測(cè)量地點(diǎn)的溫度處于一個(gè)合適的值。第五章調(diào)試超聲波測(cè)距儀的調(diào)試比較簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用模塊直接實(shí)現(xiàn)。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。第六章整機(jī)原件清單元件名稱元件數(shù)量元件名稱元件數(shù)量MAX2021LMV3313LM3171DPYGREEN4TRANS1C689C511R16Y9313W1RT1RECM174LS144第七章總結(jié)7.1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況通過(guò)為期兩周的課程設(shè)計(jì)，完成了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候，完全找不到方向，后來(lái)通過(guò)自己查找資料，慢慢的有了一定的了解。本課題中最主要的就是對(duì)主程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，完成了它后，整個(gè)大體框架就完成了。最后，按照如此設(shè)計(jì)，所要求的技術(shù)指標(biāo)基本可以達(dá)到。7.2心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)終于完成了。這次讓我體會(huì)到設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測(cè)電路過(guò)程中的樂(lè)苦與甜。設(shè)計(jì)是我們將來(lái)必需的技能，而這次設(shè)計(jì)恰恰給我提供了一個(gè)鍛煉的機(jī)會(huì)，從到圖書(shū)館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路的調(diào)試再到最后電路的成型，都對(duì)我所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)。在做這個(gè)課題的過(guò)程中，我覺(jué)得重要的不是結(jié)果而是其中所學(xué)習(xí)到的東西，有時(shí)候可能靈感閃現(xiàn)，覺(jué)得自己找到了好辦法來(lái)解決一些問(wèn)題，但是實(shí)際操作之下，才明白有時(shí)候理論上成立，但是實(shí)際中根本不具備可操作性，這也許就是理論與實(shí)踐的差距吧！現(xiàn)在才覺(jué)得就是在這許多的錯(cuò)誤中不斷的改變方法，調(diào)整思路，才最終完成了這個(gè)艱巨的任務(wù)。通過(guò)一周不懈的努力，終于完成了這項(xiàng)課程設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離，也就是我們所說(shuō)的實(shí)現(xiàn)了高度定位控制和測(cè)量系統(tǒng)；最后以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。此次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，制作過(guò)程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心的過(guò)程，不能有絲毫的馬虎，對(duì)電路的調(diào)試不能急躁，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題一定要冷靜