袁道畅安全检测课程设计文档格式.docx
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2.1超声波发生器及测距原理5
2.1.1压电式超声波发生器原理5
2.1.2超声波测距原理5
2.2方案的设计6
总结9
附录10
前言
随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。
这一设计就是本着这个宗旨出发,利用超声波的特性来为我们服务。
超声波传感技术可以方便的应用在工业测、控系统，机器人感觉系统、行走系统中。
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。
常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
由于超声波指向性强,因而常于距离的测量。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。
本设计提供一种液晶显示测距装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。
采用超声波传感器分时工作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。
因此超声波装置尤其适用于存在/非存在监测、精确距离监测，或其它类型传感技术不能很好的发挥作用的应用领域，如监测透明或发光物体、充满雾气或尘埃的空气，或是喷射状液体，而且随着性能的提升，可以进一步取代其他的检测方式，以其便捷性和精度高等优势成为一种理想和被推荐的检测，有更广的应用前景。
距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。
本文介绍的电路,成本低廉,性能可靠,所用元件易购,并且利用测距原理,结合单片机的数据处理,使测量精度提高,电路实现容易,无须调试,工作稳定可靠。
第一章绪论
1.1选题背景及研究意义
1.1.1选题背景
在日常生活中，有各种各样的测距仪。
与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、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。
而且超声波还有其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点。
超声波测距是一种非接触式测量,广泛应用于倒车防撞雷达、机器人接近觉、海洋测量、物体识别等领域。
1.1.2研究意义
本设计是超声波测距仪装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。
因此经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
在日常生活中起了广泛的作用。
1.2内容及要求
1.2.1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）LCD液晶显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：
cm）。
2）测量方式可通过硬件开关预置。
3）测量范围：
30cm～200cm，
4）误差＜0.5cm。
1.2.2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。
第二章超声波测距系统的原理及设计方案
2.1超声波发生器及测距原理
超声波发生器的可分几大类，本节介绍压电式发生器的原理和超声波测距的原理。
2.1.1压电式超声波发生器原理
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构如图2-1所示，它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率时，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，这时它就成为超声波接收器了。
2.1.2超声波测距原理
在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。
本测量电路采用:
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。
因此，被测距离为S=1/2vt。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
表2-1温度与声速变化
温度（
C）
-30
-20
-10
10
20
30
100
声速（米/秒）
313
319
325
323
338
344
349
386
本次设计的测距系统的原理图如下：
2.2方案的设计
2.2.1AT89C2051的功能特点
AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。
它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。
AT89C2051有以下特点：
2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。
此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。
空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。
可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。
AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0tTimer1。
作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。
因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。
作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。
由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。
2.2.2LCD的工作原理
在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。
液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。
因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。
LCD器件是由背光源发射的光通过偏振片和液晶盒时，控制投射强度识别图像的器件。
也就是LCD的亮度取决于通过液晶盒（LCD屏的透过率）和彩膜CF光量（CF的透过率）及背光源的亮度。
如图3所示，普通液晶显示器使用导光板的侧灯式光源，假设导光板光效率为100%，其在导光板中损失40%，通过下偏光片损失36%，通过液晶盒损失18%以及表面反射损失1%，由此，LCD显示从导光板到最终利用率不到5%。
由此可见，如何将光效率提高，如何让液晶显示呈现一个明亮鲜艳的图像是液晶显示产业的一个大问题。
且普通型液晶显示器采用三基色彩色滤光片来处理图像的合成，因此在色彩饱和度欠佳。
图3普通型液晶显示器原理图
2.2.3系统硬件电路设计
AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250μs，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。
在发射的同时，P1.7输出一个高电平启动，给电容C4充电。
发射结束时高电平翻转为低电平，C4开始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。
超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。
发射时P1.7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。
测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LCD上显示出来。
限制系统的最大可测距离存在四个因素：
超声波的幅度，反射而的质地，反射而和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
2.2.4系统软件设计
AT89C2051单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。
超声波测距仪就是用AT89C2051单片机开发设计的。
它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。
该系统的主程序处于循环工作方式，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来。
总结
超声测距原理简单，成本低、制作方便，但由于目前存在的超声测距系统作用距离短，所以在很多领域的应用有着一定的局限性，因此，研制和开发高精度、大作用距离超声测距系统，仍然是当今超声测距领域中富有挑战性的课题之一。
本文通过对压电换能器结构的分析，设计了一种大作用距离的超声换能器。
在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法让我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
通过资料的查阅，制定方案等一系列过程，极大的丰富了我的专业知识，使我的理论与实际动手能力又有了一个很大的提高，特别是在单片机编程方面又学到了不少新的东西。
附录
一、
图6主程序流程图
二、程序清单
#pragmaDBOECDOT（5,SPEED）ROM（LARGE）IV
#include<
reg52.h>
absacc.h>
stdio.h>
typedefunsingnedcharbyte;
typedefunsignedintword
#defineucharunsignedchar
#defineunintunsignedint
#defineulongunsignedlong
#defineTRUE1
#defineFALSE0
#defineC=340
sbitbflag=ACC7;
sbitVOLCK=P1^5;
sbitMING=P3^5;
sbitQUIET=P1^3;
sbitBACK=P1^2;
ucharidataON[16]={’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=’,’8’,’.’,’8’8’,’m’,’’,’’,’’};
woidmain-delay（void）
{
registeri;
TRO=1;
for（i=0;
i<
15;
i++）
TH0=0;
TL0=0;
Do{}while（!
TF0）;
TF0=0;
}
TR0=0;
voiddelay（void）
uninti;
200;
i++）{;
voidkey-delay（void）
voidstart_main（）
tegisteri;
uchara[16]={’’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=,’8’,’.’，’8’，’8’，’m’,’’,’’,’’};
<
16;
{ON[i]=a[i];
nitlcd（）;
display（ON）;
voidmain（）
registers,keycode;
longidatat;
start-main（）;
main-delay（）;
if（keycoed==true）
keycode=key-scan-wait（）;
t=measure（）;
S=0.5*t*C;
Decode-bcd（s.0x09）;
init-lcd（）;
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