超声波测距仪详细设计.doc

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1、超声波测距仪详细设计 西安电子科技大学第十九届“星火杯大学生课外学术科技作品竞赛 科技创造制作类说明书 作品名称:_ 作品类别:_ 作品编号:_ 西安电子科技大学星火杯工程超声波测距仪详细设计说明书 我们用了大概一个月的时间来完成超声波测距仪这个工程,具体实现的过程可能有点困难,不过值得一提的是从中受益匪浅,学到了许多的东西,而且也加强了自己的动手能力。 该超声波测距仪器主要用于距离的测量,可以方便进行测量,只需按一下按键便可知道距离,不像传统的手工测量那样费事。 根本思路是:本测距仪通过单片机编程送出40kHz 频率的方波信号至信号处理器 ,经过压电换能器将信号发射出去,该信号遇到障碍物那么

2、反射回来(在此称为回波)。这时,压电换能器将接收的回波,通过信号处理的检波放大、整形及一系列常见电路的处理,最后送至单片机中断口,单片机通过中断控制得出超声波在空气中的传播时间t,最后根据公式 svt/2便可得出测量结果v为声速,单片机将测量结果通过4位七段数码管显示。 技术关键在于:实现超声波的发射与接收,控制单片机来产生40KHZ的周期性方波,控制单片机对接收到的超声波信号进行处理来进行距离的测量,将发射的脉冲信号进行放大以及整形处理,用汇编语言来实现单片机基于超声波测距的程序,实现数码显像管的显示。 我们制作的该仪器为电子测距仪,其测量范围在0.104.00m,测量精度1cm,测量时与被

3、测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。该测距仪采用NE5532集成放大器实现两级放大电路与T40-16R组成超声波接收局部、采用CD4049集成器件组成整波电路与T40-16T组成超声波发射局部。单片机为该测距仪的核心单元,我们采用的是AT89C52单片机实现发射电路的控制和接收数据的处理。本系统在10400cm的距离内测量精度可达1cm,并且易于调试,本钱低廉,具有很强的实用价值和良好的市场前景。由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而该超声波测距仪,可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。利用超声波

4、检测往往比拟迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能到达工业实用的要求。系统方案的设计基于AT89C52单片机的超声波测距仪 超声波测距仪主要以AT89C52单片机为核心,其发射器是利用单片机程序控制产生40KHZ方波脉冲来驱动T40-16T超声波发生器而工作的。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射的同时开始计时 ,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下,超声波在空气中的传播速度为340m/ s,根据计时器记录的时间t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离 s,即s340t/2, 这就是我们测距的具体原理。 该超

5、声波测距仪的系统主要有几下局部组成: LED数码显示模块,89C52单片机控制模块,超声波发射模块以及超声波接收模块。二、理论分析与计算理论计算图1 测距的原理如图1所示通过检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离,对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数,我们通过测量回波时间T利用公式SV*T/2其中,S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间(TT1+T2)便可计算出距离。我们这次设计是用单片机产生40Hz的超声波信号。三、电路与程序设计1、电路设计A、器件选择:本系统在设计过程中主要选取了以下一些器件:为测距仪的核心单片机2.CD4049)?六反相器 3.NE5

6、532P:双低噪声运算放大器4.发射探头R40-16(超声波传感器)5.接收探头T40-16(超声波传感器)6.电容和电阻,导线7.四位LED数码显示管B、芯片介绍:AT89C52单片机芯主要性能参数: AT89C52与MCS-51产品指令和引脚完全兼容;8k字节可重擦写FLASH闪速存储器;1000次擦写周期;全静态操作:0Hz-24Hz;三级加密程序存储器;256*8字节内RAM ;32个可编程I/O接口;3个16位定时器/计数器;8个中断源;可编程串行UART通道;低功耗空闲和掉电模式功能特性描述: AT89C52提供以下标准功能:8k字节FLASH闪速存储器,256字节内部RAM,32

7、个I/O口线,3个16位定时器/计数器,一个6向量两集中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。同时,AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节点工作模式。空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时器/计数器,串行口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 NE5532P(双低噪声放大器): 等效输入噪声电压 5nV/根号Hz 典型值 1kHz 单位增益带宽10 MHz 典型值 共模抑制比100 dB 典型值 高 dc 电压增益 100V/mV 典型值 峰-峰电压波动 32 V 典型值,VCC

8、=18V 和RL=600 欧姆 高转换速度 9V/us 典型值 电源电压范围宽 3V 至 20V 可以与 Signetics 的NE5532 和 NE5532A 互换。 引脚配置图:CD4049?六反相器 CD4049的引脚排列如下列图所示。该集成电路既可以用作标准逻辑门及CMOS与TTL接口电路,也可以用作振荡器或脉冲发生器。而用CD4011组成的反相器,那么主要适用于小电流的场合超声波探头T40-16 超声波传感器,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到

9、回波的时候,那么将超声振动转换成电信号。C、详细电路图数码显示局部(CD4049)组成超声波发射头驱动电路。超声波回波接收处理电路 总电图:2、软件设计与工作流程图 超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们在这里为了到达精确的要求因而完全采用了汇编语言来进行程序设计的。程序流程如下列图所示: 其工作流程是:上电后首先对系统进行初始化,紧接着调用显示子程序,显示完后等待中断,假设有中断那么执行相应的中断效劳程序,中断效劳程序执行完后返回显示程序显示结果。 以下是我们用汇编写的程序:ORG 0000HLJMP MAIN ;主程序入口ORG 00

10、03HLJMP T0_INT ;接收中断效劳程序入口ORG 000BHLJMP TIME_OUT;计数器溢出效劳入口ORG 0013HLJMP T1_INT ;测距效劳程序入口ORG 0100HT0_INT: ;接收中断效劳程序 CLR TR0 ;暂停计时 CLR EX0 ;禁止外部中断0NADD:MOV R3, TL0 ;时间补偿MOV R2, TH0;消除误差MOV R6, #01HMOV R7, #50HMOV A, R3ADD A, R7MOV R3, AMOV A, R2ADDC A, R6 MOV R2, A QMUL: ;乘法程序 MOV R7, #0ACH MOV R6, #0

11、0HMOV A, R3MOV B, R7MUL ABXCH A, R7MOV R5, BMOV B, R2MUL ABADD A, R5MOV R4, ACLR AADDC A, BMOV R5, AMOV A, R6MOV B, R3MUL ABADD A, R4XCH A, R6XCH A, BADDC A, R5MOV R5, AMOV PSW.5, CMOV A, R2MUL ABADD A, R5MOV R5, ACLR AMOV ACC.0, CMOV C, PSW.5ADDC A, B MOV R4 ,AMOV 20H, R7MOV 21H, R6MOV 22H, R5BIN_B

12、CD: ;二进制码转BCD码 MOV R0,#23HMOV R7,#04HCLR ALOOP1_P0: MOV R0,A INC R0 DJNZ R7 ,LOOP1_P0 MOV R7,#24LOOP4_P0:MOV R1,#20H MOV R6,#03HCLR ALOOP2_P0:MOV A,R1RLC AMOV R1,AINC R1DJNZ R6,LOOP2_P0MOV R5,#04H MOV R0,#23HLOOP3_P0:MOV A,R0 ADDC A,R0 DA A MOV R0,A INC R0 DJNZ R5,LOOP3_P0 DJNZ R7,LOOP4_P0 MOV R0,#2

13、6H MOV A,#00H XCHD A,R0 MOV 2BH,A MOV A,26H SWAP A MOV 26H,A MOV R0,#26H MOV A,#00H XCHD A,R0 MOV 2AH,A MOV R0,#25H MOV A,#00H XCHD A,R0 MOV 2DH,A MOV A,25H SWAP A MOV 25H,A MOV R0,#25H MOV A,#00H XCHD A,R0 MOV 2CH,ARETIT1_INT: ;测距中断效劳程序 MOV R0, #0FFHLOOP_T1: MOV R1, #0FFH DJNZ R1, $ DJNZ R0, LOOP_T

14、1MOV TL0, #00HMOV TH0, #00HSETB ET0SEND: ;发射40KHZ方波 MOV R0, #20HLOOP1:CLR P1.0 NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPSETB P1.0NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPDJNZ R0, LOOP1SETB TR0SETB EX0RETITIME_OUT: ;计数器溢出效劳程序 CLR TR0 CLR ET0 MOV 2AH, #0AH MOV 2BH, #0AH MOV 2CH, #0AH MOV 2DH, #0AH RETIMAIN: ;主程序 MOV TMO

15、D, #11HSETB EX1 CLR IT1 SETB EAMOV IP, #00HSETB PX0 MOV 2AH, #00HMOV 2BH, #00HMOV 2CH, #00HMOV 2DH, #00HDISPLAY: ;显示程序 MOV A, 2AHMOV DPTR, #TABAMOVC A, A+DPTRMOV P0, AMOV A, #0FEHMOV P2, AMOV R7, #0FFHDJNZ R7, $MOV R7, #0FFHDJNZ R7, $MOV A, 2BHMOV DPTR, #TABAMOVC A, A+DPTRADD A,#80HMOV P0, AMOV A, #

16、0FDHMOV P2, AMOV R7, #0FFHDJNZ R7, $MOV R7, #0FFHDJNZ R7, $MOV A, 2CHMOV DPTR, #TABAMOVC A, A+DPTRMOV P0, AMOV A, #0FBHMOV P2, AMOV R7, #0FFHDJNZ R7, $MOV R7, #0FFHDJNZ R7, $MOV A, 2DHMOV DPTR, #TABAMOVC A, A+DPTRMOV P0, AMOV A, #0F7HMOV P2, AMOV R7, #0FFHDJNZ R7, $MOV R7, #0FDHDJNZ R7, $LJMP DISPLA

17、YTABA: ;数码管显示列表,前10个为09 ;显示符,最后一个为错误显示符DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,40H END MAIN四、系统调试 超声波测距仪中的超声波发射和接收采用超声波换能器T40-16(T发射)和T40-16(R接收),中心频率为40kHz,安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm,其余元件无特殊要求。假设能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来,那么可提高抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后,我们将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况修改了超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间,来适应不同

18、距离的测量需要。根据我们所设计的电路参数和程序,该测距仪能测的范围为0.104.00m,在12350cm范围内测距仪最大误差不超过1cm。以下为实验数据:实际距离12131415161718192021测量距离12131515151718192021误 差0010100000实际距离22232425303540455060测量距离22232425303640455060误 差0010010001实际距离708090100120140160190220250测量距离708090100119140160190219250误 差0010100010实际距离2803103403704004104204

19、30440450测量距离282311341372397406418427435-误 差211234235-五、设计总结 通过测量范围12cm400cm内的平面物体做了屡次测量发现,其最大误差为3cm,显示最小分辨率为0.01 m。 该测距仪具有使用灵活方便,稳定性比拟高、灵敏度比拟高,分辨率小于0.01m, 被测目标不需要垂直于超声波测距仪,但角度需保持在正负30度之内,被测目标外表不需要平坦;但是在检测过程中会有一些不便的地方: 1.测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体,由于发射功率有限,测距仪无法测量外的物体。 2.由于超声波的传播速度与温度有关,所以不同温度会对测量精度有影响。 3.超声波是将空气作为媒介传播,容易受电磁干扰,会对测量结果有影响,建议测量时进行屡次测量。