项目七机器车中检测系统设计.

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1、机电一体化系统 授课老师：熊 小 明 2015年5月27日 (a)遥控赛车 (b)智能小车 思考：两者有何差别？ 项目七 机器车中 检测系统设计 本章的学习目标： （1）掌握机器车中检测系统的设计能力。 （2）掌握各检测传感器的种类及其工作原理 （3）熟悉机电产品常用的检测系统设计方法 本章的重点: 系统（计数、测距、寻迹、测温、测力、测速）的工作原理 、控制硬件和控制程序的设计 本章的难点: 系统（计数、测距、寻迹、测温、测力、测速）的控制硬件 设计和控制程序设计 7.1 光电传感器计数系统设计 7.1.1 7.1.1 设计前准备设计前准备 一、任务简介： 基于51单片机，通过光电传感器实现

2、计数功能，绘制硬件电 路并编制控制程序。计数功能是指当产品通过传感器时，被传 感器检测到，并将计数器个数自动加1； 二、任务目标： （1）掌握光电传感器的工作原理； （2）熟悉基于51单片机的光电传感器计数控制电路 （3）掌握基于51单片机的光电传感器计数的程序编制 7.1 光电传感器计数系统设计 三、相关知识 （1）光电传感器的工作原理 光电传感器(光电开关)有光束发射端和接收端，如发射端与 接收端位于同一侧，产品通过时就会将发射的光束反射回来， 被接收端接收到，开关状态改变，即红外接收电路输出口将产 生一个高电平信号，这个信号将供给单片机的I/ 0口进行计数 控制。计数控制部分是将计数脉冲

3、送入单片机中断入口的INTO (INTl)入口，经过单片机内部对这个中断信号进行计数。如传 感器的发射端与接收端相对，产品通过它们之间时，光线被遮 ，同样可以改变开关状态。如图7.1.1所示。 7.1 光电传感器计数系统设计 （a）光电传感器工作原理示意图 （b）对射式光电传感器工作示意图 （c）漫反射式光电传感器工作示意图 7.1.1 光电传感器工作原理图 （c）镜面反射式光电传感器工作示意图 （e）聚光型反射式光电传感器工作示意图 7.1 光电传感器计数系统设计 （2）光电传感器的结构及特点 1）组成：光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三 部分组成，实物图如图7.1.2所示。 2）特

4、点：光电检测方法具有精度高、反应快、非接触的优 点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此 ，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。 7.1.2 光电传感器实物图 7.1 光电传感器计数系统设计 7.1.2 7.1.2 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计 一、控制电路设计 控制电路主要由红外光电检测电路、单片机系统、蜂鸣器报 警电路、数码显示部分以及复位电路。控制电路组成结构示意 图如图7.1.3所示。 STC89C51单片机 蜂鸣器报警电路红外光电检测电路数码管显示电路复位电路 7.1.3 光电传感器计数系统控制电路组成结构示意图 7.1 光电传感器计数系统设计 工

5、作过程：红外传感器感受到外界信息时，产生高低电平， 通过软件程序设置单片机内部寄存器，当传感器的高低脉冲被 单片机接收到时，单片机产生中断，中断产生后进入中断服务 程序，通过设置中断服务程序进行计数，并通过单片机I/O将计 数信息传送至数码管，数码管显示计数的个数。当需要置位时 ，则按下复位开关，计数器清零，数码管显示清零，重新开始 计数。控制电路如图7.1.4所示。 7.1 光电传感器计数系统设计 7.1.4 光电传感器计数系统控制电路 7.1 光电传感器计数系统设计 二、控制程序设计 外部中断TO初始化后处于关闭 状态，当其中断标志有效时进行 加计数，外部中断TO进行加计数 且判断计数器是

6、否达到设定值10 ，若等于设定值10，则蜂鸣器报 警，然后判断计数值是否达到设 定值100，若等于100，则计数清 零。最后将计数值通过数码管显 示，其流程如图7.1.5所示。 控制程序包括：延时函数、显 示函数、主函数以及中断函数 7.1.5 光电传感器计数系统控制程序框图 7.2 超声波传感器测距系统设计 7.2.1 7.2.1 设计前准备设计前准备 一、任务简介： 利用超声波传感器工作原理，绘制超声波传感器测距电路， 并编写控制程序 二、任务目标： （1）熟悉超声波传感器的结构和工作原理 （2）掌握利用超声波传感器测距电路的设计及其程序的编 制 7.2 超声波传感器测距系统设计 三、相关

7、知识 （1）超声波传感器简介 1）超声波 超声波是指频率高于20 kHz的机械波。在空气中衰减较快， 而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特 性，可做成各种超声传感器。 7.2.1 超声波的常见应用 2）超声波的结构 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声 波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称其为超声 波换能器或超声波探头，外形如图7.2.2所示。 7.2 超声波传感器测距系统设计 7.2.2 超声波传感器外形图 7.2 超声波传感器测距系统设计 3）超声波传感器的工作过程 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可 具有发送和接收超声波的双

8、重作用。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 电能转换声波信号，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声 振动转换成电信号，具体如图7.2.2所示。 7.2.2 超声波传感器工作过程示意图 4）压电式超声波换能器的结构及其工作 过程 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐 振来工作的，其转化结构如图7.2.3所示。 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换 能板，当它的两极外加脉冲信号，且其频率 等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片 会发生共振，并带动共振板振动产生超声波 ，这时它就是一个超声波发生器;反之，如 果两电极间未外加电压，则当共振板接收到

9、 超声波时，将压迫压电晶片做振动，并将机 械能转换为电信号，这时它就成为超声波接 收换能器。超声波发射换能器与接收换能器 在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的 标志。 7.2 超声波传感器测距系统设计 7.2.3 压电式超声波 传感器结构示意图 （2）超声波传感器测距工作原理 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF( Tithe Of Flight)。发射点距物体 距离S： S=Cm（t/2） 其中：Cm-超声波在空气中的传播速度 ，值为331.45m/s。 t-从发射超声波到接收超声波的时间， 若由单片机负责计时，且晶振频率为 12MHz，最小测量精度可达到毫米级。 注意：超声波速度还

10、和温度、气流等因 素相关，具体为 Cm=20（273+T）1/2 其中：T-工作时环境温度，单位为 Cm-超声波传播速度 7.2 超声波传感器测距系统设计 图7.2.4 超声波传感器 测距工作原理示意图 7.2 超声波传感器测距系统设计 气流和正对物体的反射角度对超声波传感器工作特性的影响，如 图7.2.5所示 图7.2.5 气流和正对物体的反射角度 对超声波传感器工作特性的影响示意图 7.2 超声波传感器测距系统设计 （3）超声波传感器测距硬件系统设计 根据设计要求和综合各方面要求，可以采用51单片机作为主 控制器，用动态扫描发实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片 机的定时器完成，超声波

11、测距硬件系统框图如图7.2.6所示。 超声波接收 超声波发送 单片机控制器 LED显示 扫描驱动 图7.2.6 超声波测距硬件系统框图 7.2 超声波传感器测距系统设计 7.2.2 7.2.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计 一、系统硬件设计 硬件电路部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电 路和超声波检测接收电路三部分组成。采用51单片机来实现对C X20106 A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制 。单片机通过P1. 0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后不 停地检测INTO引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时 就认为超声波已经返回。计数

12、器所计的数据就是超声波所经历 的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。其 工作示意图如图7.2.7所示。 7.2 超声波传感器测距系统设计 定时器 单片机 显示器 调制器振荡器超声波发射器 计时器接收检测超声波接收器 图7.2.7 基于单片机超声波传感器测距工作原理示意图 7.2 超声波传感器测距系统设计 （1）单片机系统 单片机采用89C52,采用12MHz高精度的晶振，以便于获得较 为稳定的时钟频率，减少测量误差。单片机P1.0口输出超声波 转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接收 电路输出的返回信号。 图7.2.8 单片机系统电路图 （2）显示电路 采用简

13、单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245N驱动 ，位码用PNP三极管驱动 7.2 超声波传感器测距系统设计 图7.2.10 显示电路 7.2 超声波传感器测距系统设计 （3）超声波发射电路 发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单 片机P1.0端口输出的40 kHz的方波信号，一路经一级反向器后 送到超声波换能器的一个电极;另一路经两级反向器后送到超声 波换能器的另一个电极。用这种推换形式将方波信号加到超声 波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两 个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R10,R11一方面可 以提高反向器74LS04输出高电平的驱

14、动能力;另一方面可以增加 超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。 图7.2.11 超声波 发射电路 图7.2.12 超声波检测接收电路 7.2 超声波传感器测距系统设计 （3）超声波检测接收电路 集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用 于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声 波检测接收电路，如图7.2.9所示。实验证明，用CX20106A接收 超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗 干扰能力。适当更改电容C9的大小，可以改变接收电路的灵敏 度和抗干扰能力。 7.2 超

15、声波传感器测距系统设计 二、系统程序设计 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 。我们知道C语言程序有利于实现较 复杂的算法，汇编语言程序则具有 较高的效率且容易精细计算程序运 行的时间，而超声波测距仪的程序 既有较复杂的计算(计算距离时)， 又要求精细计算程序运行时间(超声 波测距时)，所以控制程序可采用C 语言和汇编语言混合编程。程序流 程框图如图7.2.13所示。 图7.2.13 程序流程框图 7.2 超声波传感器测距系统设计 （1）超声波测距系统主程序设计 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时 器的计数功能记录

16、超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收 到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INTO或 INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行 外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 7.2 超声波传感器测距系统设计 （2）超声波测距系统超声波发生和接收程序 超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右信号频 率约40 kHz的方波，脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打 开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波 信号，一旦接收到返回超声波信号(INTO引脚出现低电平)，立即 进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并 将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声 波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成 功标志字赋值2以表示此次测距不成功。 三、系统调试 超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和 接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1( T发射)和TCT40- 10S1(R接收)，其中心频率为40 kHz,安装时应保持两换能器中 心轴线平行并相距4-8