郭仕召.docx
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郭仕召
目录
1.引言1
2..多普勒超声测速及意义2
2.1基于超声波的多普勒测速原理简介2
2.1.1多普勒效应2
2.1.2测速度的分式简述2
3.整体方案设计与论证3
4.系统的硬件结构设计4
4.1超声波发射电路4
4.2超声波接收电路5
4.3实物图5
5.51系列单片机的功能特点及测速原理6
5.151系列单片机的功能特点6
5.2测速原理7
6.LCD1602显示屏7
6.11602LCD的基本参数及引脚功能8
7.系统软件的设计与实现9
7.1软件设计流程9
7.2系统调试9
8.外形结构及使用说明10
9.总结与体会11
10.参考文献12
1.引言
我们知道，当物体振动时会发出声音。
科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20，000赫兹。
因此，当物体的振动超过一定的频率，即高于人耳听阈上限时，人们便听不出来了，这样的声波称为“超声波”。
目前,非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。
但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,一般仅用于军事工业。
相比之下,超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低,且超声波在传播过程中不受烟雾、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、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。
所以超声波测距在各种场合均得到广泛应用,如倒车防撞雷达、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。
本设计以STC89C52单片机为核心,电路采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、nrf905传输数据，显示子程序等模块组成,各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测速的功能。
该装置具有的低成本、高精度、微型化、数字显示等特点。
2..多普勒超声测速及意义
2.1基于超声波的多普勒测速原理简介
2.1.1多普勒效应
在无色散情况下,波在介质中的传播速度是恒定的,不会因波源运动而改变,也不会因观察者运动而改变.但当波源（或观察者）相对介质运动时,观察者所接收到的频率却可以改变.当我们站在铁路旁,有火车高速经过时,汽笛声会由高亢变得低沉,就是这个缘故.如果观察者运动,而火车静止,也有类似的现象.这种由于波源或观察者（或两者）相对介质运动而造成的观察者接收频率发生改变的现象,称为多普勒效应.
2.1.2测速度的分式简述
发射器发出的超声波以一定的速度、固定的频率（100KHZ）在空气中传播，在到达被测物体（汽车）后，以原速度被反射回来，到接受探头，计算公式为：
Vs=[（f-f’）/（f+f’）]V
为观察频率，
为波源发射频率；V为波速，
为观察者移动速度，
为波源移动速度。
2.2超声波测速原理
超声波测速的原理为超声波发生器不断发出超声波信号，当这个超声波遇到汽车后反射回来，且如果汽车运动则返回的超声波频率将会与发出的频率不相等，然后被超声波接收探头所接收到。
这样根据发出与接受的超声波频率差就可以利用计算公式就可算出汽车的速度。
本设计采用NE555产生40KHZ的方波信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用主芯片CX20106电路进行检波处理后，启动单片机定时计数中断程序，测得在单位时间内所接收到的波数，通过nrf905将检测到的波数发送给装置，再由软件进行计算，得出速度并送1602液晶显示器显示。
超声波测速原理框图如下图1:
100kHz发射超声波
接收
超声波
图1工作流程图
3.整体方案设计与论证
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。
利用超声波测量速度，设计比较方便，计算处理也较简单。
超声波发生器可以分为两大类：
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。
电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
根据设计要求并综合各方面因素，本文采用STC89C52单片机作为控制器，用1602液晶显示器进行显示，超声波驱动信号用NE555芯片产生。
超声波测速的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波接收探头在单位时间接收到的波数计算出频率，通过频率计算速度。
实用的测速方法有两种，一种是在被测速距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测速仪。
此次设计采用反射波方式。
超声波传感器是一种采用压电效应的传感器（图2），常用的材料是压电陶瓷。
由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。
图2超声波传感器结构
4.系统的硬件结构设计
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、nrf905传输电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路共四部分。
单片机采用STC89C52，12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
显示电路采用简单实用的LCD1602显示器。
4.1超声波发射电路
发射电路是由LM555时基电路及外围元件构成的40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。
由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。
电路简单易制。
电路工作电压9V，工作电流40～50mA。
发射超声波信号大于8m。
电路图如下：
图3超声波发射电路
4.2超声波接收电路
接收电路是采用集成电路CX20106A为主芯片，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38kHz与测速的超声波频率40kHz较为接近，所以利用它制作超声波检测接收电路。
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C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
电路图如下：
图4超声波接收电路
4.3实物图
图5超声波发射接收器
如图5接线，VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四个接口端
5.51系列单片机的功能特点及测速原理
5.151系列单片机的功能特点
5l系列单片机中典型芯片（STC89C52）采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，内部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8b的工／O端I：
IP0，P1，P2，P3，一个全双工串行通信口等组成。
特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器（E～PROM）。
本设计就采用STC89C52为主控芯片。
电路图如下：
图6STC89C52单片机
5l系列单片机提供以下功能：
4kB存储器；256BRAM；32条I／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。
空闲方式：
CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。
掉电方式：
保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。
5.2测速原理
单片机超声波多普勒测速：
超声发射探头不断发出超声波，频率为100KHZ,超声波发射后遇到汽车，被反射回来再被枪形接收器接收，单片机在单位时间内将所接收到的波数即频率，将它与标准频率进行运算,并通过测速分式【Vs=[（f-f’）/（f+f’）]V】计算出汽车的速度。
图7测试实物
6.LCD1602显示屏
液晶显示器各种图形的显示原理线段的显示：
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，（000H）当=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；（000H）当=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
图8液晶显示实物
6.11602LCD的基本参数及引脚功能
1.1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图9
图9基本参数设计
2.LCD1602主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
3.引脚功能说明
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据、命令选择
12
D5
数据
5
R/E
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表1引脚接口说明表
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
7.系统软件的设计与实现
超声波多普勒测速的软件设计分为两部分，一部分是发射程序，另一部分是接收程序。
发射程序分为几大块，有主程序、计算程序，显示子程序等；接收程序包括：
主程序，nrf905接收程序，定时器定时计数中断程序等。
7.1软件设计流程
本系统的软件设计采用模块化设计，由主程序、超声波发射子程序、超声波接收子程序、温度补偿子程序以及显示子程序组成。
流程图如图10所示
7.2系统调试
本次设计的调试方式采用的是实物调试，由于很多硬件的动作需要软件实现，故本次调试没有按常规分为软件调试和硬件调试最后再进行综合调试，本次调节分为模块调试和综合调试，同时在调试之前，检查6V电源是否正常输出。
8.外形结构及使用说明
图11外形说明
正确安装电池后，合上电池后盖，轻按显示屏下方电源开关，沿物体运动方向瞄准物体并按下操作键，即时，运动物体的速度便会实时显示在显示屏上面！
轻按显示屏下方电源开关，持续轻按大约3秒钟，当显示屏上显示，3，2，1后多普勒测速仪将关机。
或者多普勒测速仪一段时间不用时，也会自动关机。
当仪器长时间不用时间时，请取出电池。
9.总结与体会
此次设计有一个很好的理论基础。
设计的最终结果是使多普勒超声波测速仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体运动的速度,以数字的形式显示测量速度。
一个星期的智能化课程设计结束了，通过一周的智能化测控应用系统设计的实践，使我们在理论的基础上更深刻的掌握了传感器的深层内容及实际生活中的应用，实践锻炼了自己动手能力和思维能力，同时也暴露出一些平时学习上的问题，让我们深刻反思。
这些问题的发现将为我们以后的学习和工作中指明道路，为进一步查漏补缺学习作好准备。
通过实践，让我们懂得了超声波传感器测速的原理，如何将然硬件整合等等，对于我们今后的工作学习都有了很大的帮助。
同时王蕊老师悉心指导，对我们的问题做出了详细的解答，在设计的过程中遇到问题的时侯王蕊老师就会给我们悉心指导，帮我们分析错误，改正错误。
在一周的课程设计过程中，王蕊老师不辞辛苦为每一小组解答疑惑，她那严谨的态度，一丝不苟的作风使我们感动，她那希望我们能够自主创新，设计出我们自己的作品的热心深深感染着我们，在此我向王蕊老师表示深深的感谢，老师您辛苦了！
10.参考文献
[1]漆安慎，杜婵英.力学.高等教育出版社，2005.6
[2]胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.10
[3]华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：
武汉华中科技大学出版社，2002.5
[4]李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：
北京航空航天大学出版社，1993.6
[5]陈光东.单片机微型计算机原理与接口技术（第二版）.武汉：
华中理工大学出版社，1999.4
[6]梁森.王侃夫.自动检测与转换技术（第二版）机械工业出版社.2005
[7]苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：
人民邮电出版社，1993.7
[8]张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：
中国科技大学出版社，1993.10
[9]九州.放大电路实用设计手册.沈阳：
辽宁科学技术出版社，2002.5
[10]李瀚荪.简明电路分析基础.高等教育出版社，2002.7
[11]苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004.
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