机电工程测试与信号分析.docx
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机电工程测试与信号分析
机电工程测试与信号分析
题目：
超声波测距
院系：
汽车与机械工程学院
班级：
车辆1202
姓名：
吴青槟
学号：
201269030227
时间：
2014.12.05
超声波传感器测距设计
摘要
本设计以C8051F020单片机为核心控制芯片，产生40KHz的脉冲波送到超声波发射探T-40使其振荡发射出超声波，超声波在传送过程中碰到障碍物的时候马上反射回来，接收探头收到声波后送回到单片机计算处理，通过发射与接收的时间差以及当时温度对应的声速计算出距离。
本系统使用一发一收的硬件设计，C8051F020单片机内部本身自带了温度传感器DS18B20，实现当前温度的补偿降低了测量误差，简化了电路。
软件的精妙算法设计使测量值精确到毫米级且当物体与探头之间的距离改变时，LCD-1602液晶显示屏能够迅速显示即时距离，为用户提供了很直观的界面。
关键词：
C8051F020超声波传感器温度传感器
一系统设计要求
1.1设计任务
设计一个距离测量的简易装置，将测量的距离显示在液晶上，系统要求有校准功能，精度达到0.5mm。
详细指标要求有1、测量长度0mm~90mm；2、测量精度0.5mm；3、液晶显示；4、校准。
1.2设计思路
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，必须产生超声波和接收超声波，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超声波探头。
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。
超声波测距的原理一般采用渡越世间法TOF（timeofflight）。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的传播速度就可以得到二倍的声源与障碍物之间的距离。
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，由单片机负责时，单片机使用22.1184M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
1.3方案论证与选择
1.3.1主控芯片的选择与论证
方案一：
开始考虑到低功耗的问题准备使用MSP430系列的低功耗单片机，但是因为刚接触这系列的单片机不久，对其掌握不深所以放弃了该方案。
方案二：
使用最普遍的AT系列单片机，最大的优点就是相对比较便宜，而且很容易购买到，相关的资料非常丰富，而且我们对这类单片机掌握的比较好，使用的过程中有疑问很容易在网上或者资料书上得到解决，但是定时器、中断、ROM等较少，抗干扰能力较差。
方案三：
采用新华公司的C8051F020，C8051F020不仅处理速度快，容量大而且自带功能齐全。
例如本设计中C8051F020就自带了要用到的温度传感器DS18B20不仅简化了电路而且还减小了误差。
综合考虑选择方案三。
1.3.2发射部分方案选择与论证
方案一：
因为频率的稳定性是十分重要的，所以出于频率稳定性的方向考虑，选用40KHz晶振提供等脉宽的方波，然后用单片机控制与非门，使与非门输出等脉宽来作为驱动，但经过深入研究讨论后，发现在时间上有不匹配的现象。
因为单片机的机器周期为1us，而40KHz的晶振产生一个高脉冲需要25us，单片机的控制电平时间过短不能和晶振相与发出信号，若时间过长则影响距离的测量精度，而且发送的第一电平的高低随机，所以在发送超声波信号时不容易控制发出的方波数，最终认为这个方案不可用。
方案二：
查资料得知T/R-40的探头驱动在超声波为40KHz,所以想用NE555产生40KHz方波，用单片机通过NE555的第四脚控制方波信号是否发送，但是该方案的缺点是很难将频率调得十分稳定，这样对于高精度的测量距离系统有着致命的影响，所以经讨论放弃该方案。
方案三：
用单片机直接发送40KHz的信号，这样能够精确的计算出时间，得出精确的测量数据。
综合考虑选择方案三。
1.3.3接收部分方案选择与论证
方案一：
使用红外线接收处理芯片CX20106A，因为它处理的是38KHz的红外线信号，而40KHz的超声波信号和它比较接近，这个芯片的外围电路很简单而且通过外围电阻调节它的中心频率。
图1利用CX20106A的超声波接收
方案二：
使用LM324运放对接收探头收到的微弱信号进行比较放大、滤波，然后整形，这方案可以调节到接收很细微的超声波信号，但是调节比较器时有一定的难度。
方案三：
我们使用的是28015型号的超声波传感器，这种型号的传感器本身集成了滤波、积分比较，所以选择使用这种型号的超声波传感器就可以不需要外界电路来实现这些功能。
综合考虑选择方案三。
1.3.4温度补偿方案选择与论证
温度补偿的目的在于计算当时的声速，提高测量精度。
方案一：
用热敏电阻和A/D模数转换芯片，这种方法的精度也不错，但是接线麻烦，浪费单片机的I/O口，优点成本较低。
方案二：
使用温度芯片DS18B20。
这个芯片是单总线独特而且经济的特点，使用户可以轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新的概念。
方案三：
我们选择的主控芯片C8051F020它本身自带了DS18B20，所以可以直接使用C8051F020的温度补偿功能，这样不经可以简化电路还可以减小误差。
综合考虑选择方案三。
1.3.5显示模块方案选择与论证
方案一：
使用液晶显示屏显示，液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小，低功耗，无辐射，平面直角显示以及形象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强，课显示汉字等各种符号。
方案二：
使用数码管显示。
数码管具有低功耗、低耗损、低压、寿命长、耐老化、对外界环境要求低、易于维护同时精度比较高。
该方案建大易行，但是所需的元件较多，且不容易进行操作，可读性较差，一旦设定后很难再加入其他的功能。
综合考虑选择方案一。
1.4系统整体设计框图
二系统硬件电路设计
2.1主控电路部分
该系统电路设计的比较简单，单片机采用C8051F020，采用22.1184MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。
单片机用P3.4端口输出超声波传感器所需的40KHz的方波信号，利用中断口监测超声波接收电路输出的返回信号，单片机不停的检测中断端口，当中断口引脚的电平由高变为低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。
主控部分电路如图3所示。
2.2温度补偿电路
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离，如式3-1所示。
S=Ct/2（3-1）
式中C-------超声波波速。
限制该系统的最大可测距离存在4个因素：
超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收接收传感器的灵敏度，接收传感器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
为了增加所测量的覆盖范围，减小测量误差，可采用多个超声波转换器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。
由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关，如式3-2所示。
C=331.4+0.607*T（3-2）
式中T-------当地温度。
经过测量得出波速与温度的关系，如表1所示。
表1超声波温度速度表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
声速C（m/s）
313
319
325
333
338
344
349
在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。
波速确定后，只要测得超声波往返的时间r，即可求得距离s。
2.3显示部分电路
显示部分采用的是LCD1602液晶显示屏，这种显示方式非常直观，用户可以从显示器上看到很友好的界面，液晶显示屏上直接显示测量的距离数值，该设计简单、直观。
显示部分电路如图4所示。
三系统软件设计
本设计需要40KHz方波信号用于触发发射40KHz超声波，因此40KHz方波发生器的设计尤为重要。
四系统的测试和误差分析
4.1系统硬件调试
电路板焊接完毕后，使用万用表测量电路是否有短路，断路，元器件焊反等情况。
经检查无误后，将单片机接上，检查所有电路连线是否连接上，然后接通电源，此时应注意以下几点：
1指示灯是否点亮
2单片机是否有电
3晶振是否工作
4超声波传感器是否工作
测量方法:
1使用万用表查看电源是否有电。
2使用万用表测量单片机的电源和地的引脚，看是否有电压。
3使用示波器看晶振是否有波形。
4.2系统软件调试
测试超声波传感器发射和接收是否正常。
4.3系统整体测试
超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用28015型号的超声波传感器T发射和R接收，中心频率为40KHz，若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。
硬件软件全部调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。
根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测得范围为24mm----3.153mm,测距仪最大误差不超过1mm，系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次试验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
4.4系统测试仪器
1米尺。
2数字万用表
3数字示波器
4.5系统测量与误差分析
经过所有的调试步骤完成后，对该系统进行实际的数据测量过程。
由于测量过程中存在着许多外界因素的干扰，再次进行数据和误差的分析。
从表中的数据可以看出，测量值一般都比实际要大几毫米，但对于连续测量的准确性还是比较高的。
针对测量过程，对每组数据进行多次测量，对所测得每组数据去掉一个最大值和最小值，再求平均值，用来作为最终的测量数据，最后进行比较分析。
这样处理数据也具有一定的科学性和合理性。
从表中数据可以看出，虽然对超声波进行了温度补偿，但在比较近的距离的测量中其相对误差也比较大。
但从全部测量结果看，本设计的绝对误差都比较小，也比较稳定。
本设计基本符合设计要求。
4.7误差分析
测距误差主要来源于以下几个方面：
1超声波发射与接收探头与被测点存在一定的角度，这个角度直接影响到测量距离的精确度。
2超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发。
3由于工具简陋，实际测量距离也有误差。
影响测量误差的因素很多，还包括现场环境干扰、时基脉冲频率等。
系统整体电路PCB图
心得体会：
通过《机电工程测试与信号分析》这这门课的学习，我们在学习中把握的重点是老师说的与实际相结合的理念，所以在这次超声波传感器的设计中我们也是根据上课对传感器的重点只是的认识，对课后课外书和电子书籍及网络平台寻找，借鉴和提取一些有用的信息进行传感器测量距离的系统设计。
通过寻找不同的设计方案和自己的设计理念，通过思考交流。
找到合适的设计方案。
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