单片机测距系统Word格式.docx
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余水宝
成绩:
(2009.6)
第1节引言……………………………………………………………………………1
1.1超声波测距系统概述…………………………………………………………2
1.1.1超声波传感器…………………………………………………………2
1.1.2超声波测距的基本原理………………………………………………2
1.2本设计任务和主要容………………………………………………………3
1.2.1设计任务………………………………………………………………3
1.2.2主要容………………………………………………………………3
第2节系统主要硬件电路设计………………………………………………………4
2.1方法论证与比较………………………………………………………………4
2.2单片机系统电路………………………………………………………………5
2.3单片机硬件电路………………………………………………………………5
2.3.1单片机系统及显示电路………………………………………………5
2.3.2超声波发射电路………………………………………………………6
2.3.3超声波检测接受电路…………………………………………………7
第3节系统软件设计…………………………………………………………………9
3.1超声波测距器的算法设计………………………………………………………9
3.2主程序设计……………………………………………………………………10
3.3超声波发射和接收子程序……………………………………………………11
3.4显示子程序……………………………………………………………………14
3.5超声波测距控制源程序………………………………………………………15
结束语………………………………………………………………………………16
参考文献……………………………………………………………………………17
基于单片机超声波测距系统的设计
数理与信息工程学院08计算机专升本阮程程
指导教师:
余水宝
第1节引言
18世纪,意大利传教士兼生物学家斯帕兰·
扎尼在研究蝙蝠夜间活动时,发现将蝙蝠眼睛蒙上,在伸手不见五指的黑夜里,它仍能穿梭飞行,可是把蝙蝠的双耳塞住,它就会到处瞎撞。
原来,蝙蝠飞行时能发出高频率的尖叫,由它特大的耳廓接收回波,来判定出目标或障碍物及其距离。
蝙蝠是靠高频率的尖叫来确定障碍物的位置的。
蝙蝠尖叫声的声波频率在每秒2万到10万赫兹之间,我们的耳朵对这样频率围的声波是听不到的,这样的声波被称之为超声波。
蝙蝠发出超声波,然后借助物体反射回来的回声,就能判断出所接近的物体的大小、形状和运动方式。
在自然界中除了蝙蝠还有很多其它动物能发出超声波,如海洋中的海豚也具备很强的超声定位本领。
人们正是从自然界生物中获得了灵感,开始了仿生学研究并取得卓著成果。
第二次世界大战时,军舰已使用回声探测术来侦察水下的潜艇。
50年代,科学家们将超声波探测技术应用到医学上,到70年代以来,以B型超声成像为代表的医学超声诊断技术已经取得了很快的发展。
超声诊断由于安全、简单、经济、信息量丰富而受到医学界的特别赏识。
现在超声波已广泛应用于无损探伤物位测量测厚测距等领域。
近二、三十年,特别是近十年来,由于电子技术及压电瓷材料的发展,使超声检测技术得到了迅速的发展。
超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。
超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。
超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性(声速、衰减、反射、声阻抗等)来实现对非声学量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等)的测定。
它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面,将产生反射,折射,绕射,衰减等现象,从而使传播的声时,振幅,波形,频率等发生相应变化,测定这些规律的变化,便可得到材料的某些性质与部构造情况。
目前,超声波测距在各种场合均已经得到广泛的应用,如汽车倒车、海洋测量、物体识别、工业自动控制、建筑工程测量和机器人视觉识别等。
1.1超声波测距系统概述
1.1.1超声波传感器
超声波是指频率高于20KHz的机械波。
为了以超声波作为检测手段,必须产生超生波和接收超声波。
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,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
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,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。
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播距离远,因而超声波可以用于距离的测量。
利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,并且在测量精度方面也能达到要求。
测量距离的方法有很多种,短距离的可以用尺,远距离的有激光测距等,超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒,由单片机负责计时,单片机使用12M晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波发生器可以分为两类:
一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。
本课题属于近距离测量,可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
1.1.2超声波测距的基本原理
超声波发生器在某一时刻发出超声波信号,遇到被测物体后反射回来,被超声波接收器接收到。
只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间,知道在介质中的传播速度,就可以计算出距被测物体的距离:
(1-1)
式中D为被测物到测距仪之间的距离,S为超声波往返通过的路程,V为超声波在介质中的传播速度,T为超声波从发射到接收所用的时间。
为了提高精度,需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系:
(1-2)
式中,T为实际温度(℃),v的单位为m/s。
1.2本设计任务和主要容
1.2.1设计任务
设计一个超声波测距器,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,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
要求测量围在0.10-4.00m,测量精度1cm,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。
1.2.2主要容
该系统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。
其主要容如下:
硬件电路的设计:
1.根据超声波测距的特点,进行系统的整体规划和设计。
2.针对系统的整体功能,对各个模块电路进行具体设计。
3.对超声波发生电路进行论证和设计,产生用于测量的超声波。
4.对超声波接收电路进行论证和设计,接收反射回来的超声波。
5.对数据采样电路进行设计和分析,测量发送和接收的时间,并计算距离。
6.LED数码显示测量的距离值,以文字显示的方式显示测量的距离。
系统软件的设计:
1.超声波测距器的算法设计。
2.系统主程序的设计。
3.发送子程序的设计。
4.接收中断程序的设计。
5.显示子程序的设计。
6.超声波测距控制源程序的设计。
第2节系统主要硬件电路设计
2.1方法论证与比较
目前,非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。
激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到接收的时间,计算出从观测者到目标的距离。
虽然激光测距比较精确,但是需要注意人体安全,制做的难度较大,成本也较高,并且光学系统需要保持干净,否则将会影响测量。
雷达是利用极短的无线电波进行探测的,雷达的组成部分有发射机、天线、接收机和显示器等。
由于无线电波传播时,遇到障碍物就能反射回来,雷达就根据这个原理把无线电波发射出去,再用接收装置接收反射回来的无线电波,这样就可以测定目标的方向、距离、高度等。
雷达被称为“千里眼”,白天黑夜均能探测远距离的目标,且不受雾、云和雨的阻挡,具有全天候、全天时的特点,并有一定的穿透能力。
因此,它常常是军事上必不可少的电子装备。
但是,雷达却存在致命的的三大弱点:
一是对超低空目标有盲区,“千里眼”实际是远视眼,头顶和鼻子底下有盲区;
二是雷达是主动用电波去搜寻目标的,易暴露自身;
三是雷达很容易受到干扰,频率相同的电波它不分敌我,一律可以入。
超声波测距是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
其测距原理与雷达原理相一致,但是在测距方面,超声波却比雷达和激光更有明显的优势。
激光和雷达测距仪造价偏高,不利于广泛的普及应用,在某些应用领域有其局限性,一般仅用于军事和工业领域。
相比之下,超声波测距系统电路不仅易实现、结构简单和造价低,而且穿透力强,指向性强,传输过程中衰减少,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,在传播过程中也不受烟雾、空气能见度等因素的影响,对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、有灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。
另外,超声波与一般声波比较,它的振动频率高,而且波长短,因而具有束射特性,方向性强,可以定向传播,其能量远远大于振幅相同的一般声波,并且具有很高的穿透能力。
2.2单片机系统电路
根据设计要求并综合各方面因素,可以采用AT89S51单片机作为主控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成,超声波测距器的系统设计框图如图2-1所示:
图2-1超声波测距器系统设计框图
2.3系统硬件电路
本系统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AT89S51来实现对CX20106A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,然后单片机不停的检测INT0引脚,当INT0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。
其原理图如图2-2所示:
图2-2超声波测距板原理框图
2.3.1单片机系统及显示电路
单片机采用AT89S51或其兼容系列,采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定的时钟频率,减小测量误差。
单片机使用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号,利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管,段码用74LS244驱动,位码用PNP三极管驱动。
单片机系统如图2-3所示:
图2-3AT89S51单片机图
2.3.2超声波发射电路
图2-4超声波发射电路原理图
发射电路主要硬件单元的功能:
单片机OC1端输出的40kHz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。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端,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。
上拉电阻R10、R20一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。
因为本课题属于近距离测量,所以本系统的超声波发生器采用常用的压电式超声波换能器来实现。
压电超声波转换器的功能是利用压电晶体谐振工作。
其部结构如图