传感器与测试技术课程设计1计算机软件测试计算机软件测试.pdf
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1、传感器与测试技术课程设计 题目 超声波测距系统设计 学校 四川广播电视大学 专业 机械设计制造及其自动化 班级 135100083012502 姓名 陈康峰 学号 1351001223255 指导教师 熊纪宇 完成时间 2014 年 4 月 18 号 目录 一、课程设计目的.2 二、课程设计题目.2 三、课程设计内容及要求.2 1、设计内容.2 2、设计要求.2 四、传感器工作原理.2 五、系统框图.4 六、单元电路设计原理.4 1、LED显示电路与键盘控制电路设计 .4 2、超声波发射电路设计.5 3、超声波接收电路设计.7 4、串口通信与蜂鸣器电路设计.8 七、软件设计与系统调试.9 1、
2、主程序流程图.10 1.1 发射程序与接收流程图 .10 1.2 中断子程序及流程图.11 1.3 距离计算与显示子程序.12 八、设计中的问题及解决方法.13 九、参考文献.14名陈康峰学号指导教师熊纪宇完成时间年月号目录一课程设计目的二课程设计题目三课程设计内容及要求设计内容设计要求四传感器工作原理五系统框图六单元电路设计原理显示电路与键盘控制电路设计超声波发射电路设计超声波及流程图距离计算与显示子程序八设计中的问题及解决方法九参考文献课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法进一步理解传感器及检测系统的设计和应用用发射和接收之间
3、的距离也可将发射和接收平行放在一起通过反射测量距离功能数码管显示测量距离精确到小数点后一位单位测量范围误差其它设计要求掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法独立设计原理图及相应的硬、课程设计目的 通过传感器及检测技术课程设计,掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则 及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。课程设计题目:超声波测距系统设计 三、课程设计内容及要求 1、设计内容 采用 40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离,也可将发射和接收平行放在一起,通过反射测量距离。功能:1)LED数码管显示测量距离,精确到小数点后一位(单位:c
4、m)。2)测量范围:30cm200cm,3)误差 0.5cm。4)其它。2、设计要求 1)掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。2)独立设计原理图及相应的硬件电路。3)设计说明书格式规范,层次合理,重点突出。并附上详细的原理图 四、传感器工作原理 超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频 率等于压电晶片的固有振荡频时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声 波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,就成为超声接收波换能器。超声测距大致有以下方法:取输出 脉冲的平均值电压,该电压(
5、其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,测距原理如图 2-1 所示,距离公式为 s=ct/2,其中 c 为声速。通过测量发射与接受装置之间的距离 h,利用直角三 角形可求得 d s2(h/2)2。因为 sh,则 d=s,d=s=ct/2。本测量电路采用第二种方 案。名陈康峰学号指导教师熊纪宇完成时间年月号目录一课程设计目的二课程设计题目三课程设计内容及要求设计内容设计要求四传感器工作原理五系统框图六单元电路设计原理显示电路与键盘控制电路设计超声波发射电路设计超声波及流程图距离计算与显示子程序八设计中的问题及解决方法九参考文
6、献课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法进一步理解传感器及检测系统的设计和应用用发射和接收之间的距离也可将发射和接收平行放在一起通过反射测量距离功能数码管显示测量距离精确到小数点后一位单位测量范围误差其它设计要求掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法独立设计原理图及相应的硬 在空气中,常温下超声波的传播速度是 334米/秒,但其传播速度 v 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大,如温度每升高 1,声速增加约 0.6 米/秒。声速与温度关系如表 4-2 所示。因此在测距精度要求很高的情况下,应通过对温度
7、补 偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度 T时,超声波传播速度 V 的计算公式可近 似如下:V=331.5+0.607T 这样,只要测得超声波发射和接收回波的时间差 t 以及现场环境温度 T,就可以精确计 算出发射点到障碍物之间的距离。表 4-2 声速与温度关系表:温度()-30-20-10 0 10 20 30 40 声速(m/s)313 319 325 332 338 344 350 356 目 标 名陈康峰学号指导教师熊纪宇完成时间年月号目录一课程设计目的二课程设计题目三课程设计内容及要求设计内容设计要求四传感器工作原理五系统框图六单元电路设计原理显示电路与键盘控制电路设计超声波
8、发射电路设计超声波及流程图距离计算与显示子程序八设计中的问题及解决方法九参考文献课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法进一步理解传感器及检测系统的设计和应用用发射和接收之间的距离也可将发射和接收平行放在一起通过反射测量距离功能数码管显示测量距离精确到小数点后一位单位测量范围误差其它设计要求掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法独立设计原理图及相应的硬 接接收收 六、单元电路设计原理 1、LED显示电路与键盘控制电路设计 显示器是一个典型的输出设备,而且其应用是极为广泛的,几乎所有的电子产品都要使 用显示器,其差别仅在于显示器
9、的结构类型不同而已。最简单最直观的显示器可以使用 LED 发光二极管,而复杂的教完整的显示器应该是 CRT监视器或者屏幕较大的 LCD液晶屏。综合 课题的实际要求,由于只需显示距障碍物的距离,因此选用 LED数码管,通过单片机编程实 现显示。动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所 有显示器的 8 个笔划断 adp 同名端连在一起,而每一个显示器的公共极 COM是各自独立的 受 I/O 线的控制。CPU向字段输出口送出字型码时,所有显示器接收到相同的字型码,但究 竟是哪个显示器亮,则取决于 COM端,而这一端是由 I/O 控制的,所以我们就可以自行决定 何时显
10、示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法,轮流控制各个显示器的 COM端,使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮过程中,每位显示器的点亮时间是极为短暂的(约 1ms),但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位显示器并 非人同时点亮,但只是扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪 烁感。采用静态扫描方式控制点亮 LED数码管无位选信号,各数码管是同时点亮的,每个数 码管显示数码的笔划信息也分路同时送给,其原理比较简单。静态扫描显示编程容易,显示 比较清晰,亮度一般较高,但要求占用很多 I/O 接线口和增用不少硬件芯片,成本较高。因 此,我采用动态扫描。
11、设计的显示电路采用 4 位一体八段共阴极数码管显示,段码直接由单片机的 P0 口来驱动,因为 P0口的内部无上拉电阻,需在外部接上拉电阻;位码则通过 4个 NPN型三极管来驱动,同时接单片机 P2 口。显示电路如图 6-1 所示。五、系统框图 LED 显示电 路 发发射射 障碍物 名陈康峰学号指导教师熊纪宇完成时间年月号目录一课程设计目的二课程设计题目三课程设计内容及要求设计内容设计要求四传感器工作原理五系统框图六单元电路设计原理显示电路与键盘控制电路设计超声波发射电路设计超声波及流程图距离计算与显示子程序八设计中的问题及解决方法九参考文献课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计掌握传感器及检
12、测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法进一步理解传感器及检测系统的设计和应用用发射和接收之间的距离也可将发射和接收平行放在一起通过反射测量距离功能数码管显示测量距离精确到小数点后一位单位测量范围误差其它设计要求掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法独立设计原理图及相应的硬 图 6-1 显示电路 在外围的键盘控制电路中,设置了四个独立按键,分别与单片机的 P3.4P3.7 相连,当 按下 S1 时,启动超声波发射,开始测距;当按下 S2时,停止发射超声波,即停止测距;S3 为报警开关,当测量到距离过近时,蜂鸣器电路发出警告,此时按下 S3 键,即可停止报警,S4 为预留出来的按键
13、,当需要的时候可以实行编程控制。电路设计如图 6-2 所示。图 6-2 键盘控制电路 2、超声波发射电路设计 超声波的发射和接收是由超声波换能器来完成的,也就是我们俗称的探头。超声波的发 射与接收可采用一体式的或独立式的,但是一体式的盲区问题比较严重,所以本次设计选择 发射和接收探头分开的,具体将采用超声波发射换能器 TCT40-16BT 和超声波接收换能器 TCT40-16BR。命名规则:型号:TCT40-16BT或(R)类别:TC压电陶瓷超声波传感器;T通用性;T发射/R接收 名陈康峰学号指导教师熊纪宇完成时间年月号目录一课程设计目的二课程设计题目三课程设计内容及要求设计内容设计要求四传感
14、器工作原理五系统框图六单元电路设计原理显示电路与键盘控制电路设计超声波发射电路设计超声波及流程图距离计算与显示子程序八设计中的问题及解决方法九参考文献课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法进一步理解传感器及检测系统的设计和应用用发射和接收之间的距离也可将发射和接收平行放在一起通过反射测量距离功能数码管显示测量距离精确到小数点后一位单位测量范围误差其它设计要求掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法独立设计原理图及相应的硬外径:16 代表 16mm 外壳材料:铝 外壳颜色:银色 具体参数:中心频率:40.0kHz 1.0 kHz
15、 输出电压:115dB 接收灵敏度:-65dB 静电容量:2000pF 20%指向角:80 工作温度 :-20 +70 超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等,而以压电式最为常用。压电型超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷,它是利用压电材料的压电效应来工作 的:逆压电效应将高频电振动转化成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而 利用正压电效应,将超声振动波转化为电信号,可作为接收头。超声波发射电路,是为了让超声波发射换能器 TCT40-16BT能向外界发出 40 kHz左右的 方波脉冲信号。40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法:采用硬件如由 55
16、5 振 荡产生或软件如单片机软件编程输出,本系统采用后者。编程由单片机 P1.0 端口输出 40 kHz 左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率不够,40 kHz 方波脉冲信号分成两路,一 路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极;另一路经两级反相器后送到超声波换能器 的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端,实际上构成了一个桥 式电路,输入与输出的相位图如图 3-4 所示,再加上输出端上拉电阻 R3,R4,一方面可以 提高反向器 MC14069UB输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。发射电路如图 6-3 所示。图 6-3
17、 超声波发射电路 3、超声波接收电路设计 上述 TCT40-16BT 发射的在空气中传播,遇到障碍物就会返回,超声波接收部分是为了 将反射波(回波)顺利接收到超声波接收换能器 TCT40-16BR进行转换变成电信号,并对此电 信号进行放大、滤波、整形等处理后,这里用索尼公司生产的集成芯片 CX20106,得到一个 负脉冲送给单片机的 P3.2(INT0)引脚,以产生一个中断。CX20l06A 是日本索尼公司生产的红外接收芯片,也适用于超声波接收。其采用单列 8 脚直插式,超小型封装。+5V 供电。以下是 CX20l06A 的引脚注释:名陈康峰学号指导教师熊纪宇完成时间年月号目录一课程设计目的二
18、课程设计题目三课程设计内容及要求设计内容设计要求四传感器工作原理五系统框图六单元电路设计原理显示电路与键盘控制电路设计超声波发射电路设计超声波及流程图距离计算与显示子程序八设计中的问题及解决方法九参考文献课程设计目的通过传感器及检测技术课程设计掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法进一步理解传感器及检测系统的设计和应用用发射和接收之间的距离也可将发射和接收平行放在一起通过反射测量距离功能数码管显示测量距离精确到小数点后一位单位测量范围误差其它设计要求掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法独立设计原理图及相应的硬1 脚:超声波信号输入端,该脚的输入阻抗约为 40k
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