手持测距仪设计总结报告

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1、产品设计报告产品设计报告（2011-2012 学年第二学期）学年第二学期）课程名称课程名称 学学 院院 专专 业业 班班 级级 学学 号号 学生姓名学生姓名 同组者姓名同组者姓名 任课教师任课教师 完成日期完成日期 目录目录引言引言-3任务分析任务分析-3方案初步设计方案初步设计-3产品详细设计产品详细设计-4硬件设计-4软件设计-7调试和测试调试和测试-9总结总结-10参考文献参考文献-11引言引言随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的

2、任务。于是，一种新的测距方法诞生了非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距 4

3、种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点4：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简 单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来 越引起人们的重视1 1、任务分析、任务分析设计并制作一个可以测量距离并产生报警信号的手持测距设计并制作一个可以测量距离并产生报警信号的手持测距仪，电路系统主要结构如图仪，电路系统主要结构如图 1 1 所示所示超声波发射电路超声波接

4、收电路单片机最小系 统片机显示电路报警电路图 1 手持测距仪要求结构图2 2、方案初步设计、方案初步设计任务要求任务要求1、基本要求可以测量距离为 0.4m0.8m 的障碍物，测量精度为 5cm。可通过 LCD 显示可测范围内障碍物实际距离，并相应产生示意图报警信息。当障碍物距离小于 0.2m 时，声音报警长鸣，LCD 显示“0.2m” 。2、发挥部分可以测量距离为 0.2m1.0m 的障碍物，测量精度为 2cm。按照手持测距仪设计任务与要求，本项目的主要构想是：超声波发射电路每隔一段时间发出一段超声波信号，然后超声波接受电路检测是否有该超声波信号被反射回来；如果有，则计算信号被发射到被接受的

5、时间间隔，同时根据声波在空气中 340m/s 的传输速度及一半该时间间隔计算出障碍物与手持测距仪的距离，通过现实电路来现实结果，并根据测距离判断是否进行报警。此外，有温度测量电路测的环境温度并进行显示，当温度超过键盘设置范围则现实报警信息。系统由以下几部分构成：超声波发射电路，超声波接受电路，温度测量电路，单片机最小系统，人机借口电路，系统构想总体方案框图如图 2。超声波发射 电路单片机最小系 统片机超声波接受电 路显示电 路报警电路温度测量电 路键盘电路图 2系统构想总体方案框图3 3、产品详细设计、产品详细设计3.13.1、硬件设计、硬件设计3.1.1 超声波发射电路 采用 555 定时器

6、电路产生频率 为 40KHz、占空比为 50%的方波 信号，再经六反向器 CD4069 形 成推挽激励来驱动超声波发射 传感器，超声波发射强度提升 了一倍。同时，发射电路由单 片机的发射控制信号引脚 （NE555_RESET）来控制方波信 号是否产生。如图 3 所示图 3 超声波发射电路3.1.2 超声波检测接收电路 超声波传感器接收部分 电路采用集成电路 CX20106A。 这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 38kHz 与测距超 声波频率 40kHz 较为接近，可 以利用它作为超声波检测电路。 实验证明，其具有很高的灵敏 度和较

7、强的抗干扰能力。适当 改变 C1 的大小，可改变接收 电路的灵敏度和抗干扰能力。 R1 和 C1 控制 CX20106A 内部 的放大增益，R2 控制带通滤波 器的中心频率。一般取 R1=4.7 ，C1=1F。当超声波接收头收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外 部中断 INT0 上。当超声波接收头接收到 40kHz 方波信号时，将会将此信号通 过 CX20106A 驱动放大送入单片机的外部中断 0 口。单片机在得到外部中断 0 的中断请求后，会转入外部中断 0 的中断服务程序进行处理，在移动机器人的 避障工作中，可以在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离，比如 0.5m。对于距离大于

8、 0.5 m 的障碍物，可以不做处理直接跳出中断服务程序；CX20106A 的第 5 脚的电阻决定接收的中心频率，200k 的电阻决定了接收的中 心频率为 40KHz。当 CX20106A 接收到 40KHz 的信号时，会在第 7 脚产生一个 低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入。CX20106 由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电 路构成。其中的电平自动控制电路 ABLC 可以保证在输入弱信号时前置放大器有 较高增益，在输入强信号时前置放大器不会过载，可以保证在一定遥控距离 （约 10m）内工作可靠。其内部设置的滤波器中心频率 f0 由

9、其 5 脚外接电阻调 节，范围可从 30KHz60KHz。 CX20106 的工作过程大致如下：其中的前置放大器将外接红外光敏二极管或三 极管产生的脉冲电压进行放大，电压增益约 7779dB。然后将信号送限幅放大 器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器 滤掉载频检出指令信号，再经整形后，由 7 脚输出指令信号。实际上，CX20106 的功能用一句话概括，就是当接收到与 CX20106 滤波器中心频率相符的红外光 信号时，其输出端 7 脚就输出低电平。 CX20106的主要参数如下：电源电压典型值为 5V，最大 17V。电源电流 1.1-2.5mA(典型值为 1.8

10、mA)。输出低电平 0.2V。电压增益 7779dB。 输入阻抗 27。滤波器中心频率 30z60z。允许功耗 0.8W。 1 脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为 40k。 2 脚：该脚与地之间连接 RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分， 改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻 R1 或减小 C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但 C1 的改变会影响 到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为 R1=4.7，C1=1F。 3 脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度 低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相

11、应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变 动大，易造成误动作，推荐参数为 3.3f。 4 脚：接地端。 5 脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0，阻值 越大，中心频率越低。例如，取 R=200k 时，f042kHz，若取 R=220k，则 中心频率 f038kHz。 6 脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大， 会使探测距离变短。 7 脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个 上拉电阻到电 源端，推荐阻 值为 22k， 没有接受信号 是该端输出为 高电平，有信 号时则产生下 降。 8 脚：电源正 极， 4.55

12、V。 3.1.3 主控制 电路 核心控制元件 采用单一的 AT89C51 单片 机来完成，显 示采用 SMC1602A 液晶 模块，温度补 偿传感器采用 DS18B20.3.1.4 电源电路 9V 直流电压经过滤波，再经三极管 7805 稳压到 5V 直流电压。3.23.2、软件设计、软件设计软件部分的设计根据手持测距仪的具体功能实现可以分为四个步骤，分别是超声波信号发送、超声波信号接收、距离数据处理、液晶距离显示。（1）超声波信号发送：通过定时器每隔 20ms 发送一次 40KHz 的超声波信号，每次发送 4 个周期（100us） ；由于系统通过 555 定时器来产生超声波启动信号，所以在程

13、序中需要完成的工作为每隔 20ms 给 555 定时器一个启动信号，启动时间 100us。同时，由于超声波信号接收通过外部中断模式通知单片机，所以在该定时器中还需要启动外部中断及开始计时。（2）超声波信号接收：超声波信号的接收通过外部中断模式通知单片机，当进入相应中断后，在程序中首先需要停止计时，将计时数据送入距离数据处理模块进行处理；同时为避免不同距离障碍物反射回来的超声波信号的干扰，在中断程序中还需要关闭该外部中断，以最近障碍物距离为准。声波在空气中传输速度约为 340m/s，在 20ms 时间内可以传输 6.8m，因此该超声波测距可以最远到 3.4m，一般手持测距最远为 1.5m，满足系统要求。此外，为避免多次发射信号的干扰，超声波发送信号的能量最好调节到最远衰减在 5m 以内。（3）距离数据处理：在距离数据处理模块中，对共计 10 次单片机计时数据剔除最大值与最小值后进行数据平均值法处理。2、软件流程图根据手持测距仪具体功能的实现步骤及其他辅助功能，在程序设计中采用模块化处理，将总体功能分解一个个功能模块，每个功能模块相互独立，每个模块都能完成一个明确的任务，实现某个具体的功能。本设计按任务模块划分的程序主要有主程序、读温子