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1、湄洲湾职业技术学院超声波测距仪说明书系另IJ:自动化工程系年级:10级 专业:电气自动化技术姓 名: 学 号:1001020245导师姓名:李志杰职称:讲师2013年05月29日目录1 前 言 12 系统设计参数要求 23 系统设计 33.1系统设计总体框图 33.2 超声波测距原理 43.3 系统构成 53.4 硬件电路设计 53.5 传感器介绍 63.5.1 超声波传感器原理 64 系统模块 74.1超声波发射模块 74.2超声波接收模块 84.3 LCD 显示模块 94.4 系统印刷电路板的制作图 95 系统软件设计 105.1超声波测距的算法 105.2 程序流程图 105.3 超声波
2、温度补偿子程序流程图 115.4超声波测距子程序流程图 125.5 系统操作说明 135.6系统操作注意事项 13参考文献 14致谢语 15系统附录 16附录一 原理总图 16附录二 印刷电路图 17附录三 元件清单 18附录四 程序流程 19本设计是以单片机技术为基础，实现对前方物体距离的测量。根据超声波指向性强,能量 消耗慢,在介质中传播距离远的特点,利用超生波传感器对前方物体进行感应，经过单片机中 的程序对超声波传感器发射和接收的超声波信号进行分析和计算处理，最后将处理结果在 LCD1602上显示。STC89C52单片机的超声波测距系统，此系统根据超声波在空气中传播反射原 理,把超声波传
3、感器作为接口部件,利用超声波在空气中传播的时间差来测量距离 ,设计了一 套超声波检测系统。该系统设计主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和 显示模块等四个基本模块构成，用接收部分接收超声波。本设计利用两个中断，在发射信号 时，打开定时器中断0和外部中断0使定时器计时，接收到发射超声波信号时，外部中断0 关闭中断，这时定时器中断0计录的时间就为超声波传播经过测距仪到前方物体的来回时间 利用公式S=TXV/2 （V为超生波传播速度，本设计设定值340m/s），经过单片机处理得到距 离值S并且通过LCD1602显示出来。除此外系统还能显示系统的实时时间。2 系统设计参数要求（1）键盘扫
4、描，通过单片机检测用户按下的是哪个按键并执行相应的功能。（2）通过超声波测距模块检测超声波模块到障碍物之间的距离，并在LCD1602上显示上一次测量的距离.（3）通过单片机采集DS1302的数据，并在液晶屏幕上显示实时的年月日时分秒，并可以通过按键设置时间。3 系统设计3.1 系统设计总体框图超声波发射专定时器温度补偿*超声波接收*4放大电流 口.&流流路单片机 控制勺LCD显示3-1 系统设计总体框图3.2超声波测距原理3.2 1超声波基本原理超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技 术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作
5、，降低生产 成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是 通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射 等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为:用超声波使物体或物性变化的功率应用， 称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。3.2 2超声波测距仪原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中 传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，如图3-2 所示。超声波在空气中的传播速度为v,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：
6、（公式1-1）这就是所谓的时间差测距法7由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产 生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回 波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界 干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最 佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。3.3 系统构成本设计是在超声波原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统设 计。测距仪以AT89S52芯片为核心，74LS04组成的超声波发射电路、并由超声波处理模块 CX2
7、0106A、液晶显示等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、LCD 显示电路。依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路，避免了环境误差，能够清晰稳定的 显示结果。由单片机发出40kHz的方波信号进入超声波发射电路，经功率放大芯片放大后进入超声 波发射头。超声波发射头发射的超声波在空气中传播一段时间后经前方被检测物体反射回 来，由超声波接收头接收，超声波电路中的接收芯片对信号放大整形，超声波接收电路接收 回波后发出一个下拉电平使单片机进入中断程序，在中断程序中，单片机从温度检测电路读 取数值并换算成当前温度下的声速，应用时差法计算所检测的距离，最后所有的数据都在 LED显示电路
8、上显示。结构图如图3-3所示。控制器、LED显示电路图 3-3 系统结构图3.4 硬件电路设计单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个 计算机系统集成到一个芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，从而提高了系 统的可靠性及运行速度。因而在工业测控领域中，单片机系统是最理想的控制系 统。所以，单片机是典型的嵌入式系统，是嵌入式系统低端应用的最佳选择。3.5传感器介绍3.5.1超声波传感器原理超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金8(磁致伸缩)两类。电 致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它 可以将电能转变成机械振
9、荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以 它可以分成发送器或接收器。小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中 传播，工作频率一般为23-25kHz及40-45kHz。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。 若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40kHz高频电压,则压电 陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏 密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给波接收器。接收器是利用压力传感器所 采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“ + ”极，另一面为
10、“-”极的40kHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，还必须进行放大。 DS18B20温度传感器本系统选用DS18B20温度传感器作为误差补偿装置。DS18B20是美国DALLAS半导体公 司生产的1WIRE数字温度传感器，它可实现数字化输出和测试，并且有控制功能强、传输 距离远、抗干扰能力强、微功耗等特点。DS18B20的主要特性：(1) 适应电压范围更宽，电压范围3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。(2) 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处 理器与DS18B20的双向通讯。(3) DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并
11、联在唯一的三线上，实现组网多 点测温。(4) DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只 三极管的集成电路内。(5) 温范围一55C+ 125C，在一10+85C时精度为土0.5C。(6) 可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5C、0.25C、0.125C和 0.0625C，可实现高精度测温。(7) 测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU,同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。(8) 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。4 系统模块4.1超声波发射模块超声波发生器包括超声波产生电路和
12、超声波发射控制电路两个部分，超声波探头的型 号选用CSB40T （其中心频率为40KHz）。可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出 引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件, 灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波 专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。这种 方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可 以选用74LS04，具体电路如图4-1所示。34U4DR1074LS0474LS04174LS0U4BU4CU4Eim4-1
13、 发射电路图从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平, 下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动 CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。4.2超声波接收模块超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须 与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。由于超声波接收探头的信号 非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形 变换。本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在 彩色电视机上面的一种红
14、外接收检波芯片1CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz, 和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。接受电路如图4-2所示。RES2RF.S2RyK57j2 34 6U5CX201型C73 3() pF(JND图4-2接收电路图使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。 以下是CX20106A的引脚注释。（1）1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kQ。（2）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R4或减小C4,将使负反馈量 增大，
15、放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C4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R4=10Q，C4=1p f(3) 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3.3p f。(4) 4脚：接地端。(5) 5脚：该引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fO,阻值越 大，中心频率越低。(6) 6脚：该引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) 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22kQ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下 降
