基于单片机的100厘米以下距离控制系统设计.docx

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基于单片机的100厘米以下距离控制系统设计

基于单片机的100厘米以下距离控制系统设计

（控制部分）

摘要：

超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和单片机相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业场。

本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及AT89C51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。

该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。

关键词：

超声波单片机测距AT89C51

Systemcontroldistancewithin100cmwhichbasedonSCM

（controlsection）

Abstract:

Ultrasonicwavehasstrongpointingtonature,slowlyenergyconsumption,propagatingdistancefarther,so,inutilizingthescheme

ofdistancefindingthatsensortechnologyandautomaticcontroltechnologycombinetogether,ultrasonicwavefindsrangetousethemostgeneraloneatpresent,itappliestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,waterlevelmeasuring,buildingconstructionsiteandsomeindustrialscenesextensively。

Thissubjecthasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail,andtheperformanceandcharacteristicofone-chipcomputerAT89C51ofAtmelCompany,andonthebasisofanalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicrangefinderofminiaturedigitaldisplayandsoftwaredesignmethodtakingAT89C51asthecore,thiscircuitofsystemisreasonableindesign,workingstability,performancegoodmeasuringspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrol,andcanreachindustry'spracticaldemandinmeasuringtheprecision。

KeyWords:

Ultrasonicwave;One-chipcomputer;Rangefinding;AT89C51

第1章绪论

1.1课题背景，目的和意义

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。

信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。

比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。

利用单片机控制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，并且测量精度较高。

超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：

液位、井深、管道长度等场合。

因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。

对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。

1.2课题主要内容

通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。

本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。

通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

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，待测出距离后，在限制的距离之内时，蜂鸣器发出报警信号，步进电机自动反转。

本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。

接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。

系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给LED显示，并控制蜂鸣器和步进电机。

利用本测距系统测量，范围应在100cm内，其最大误差控制在5cm内。

第2章基于单片机的100厘米以下测距控制系统

2.1总体方案概述

本系统设计分为几个模块：

单片机控制系统、超声波路面检测系统、前进、后退控制电机以及报警系统。

它们之间的相互关系如下图2-1所示：

图2-1

本系统设计的小车使用一台AT89C51单片机作为主控芯片，它通过超声波测距来获取小车距离障碍物的距离，并且用数码管实时显示出来，在小车与障碍物的距离小于安全距离（本设计安全距离为60cm）时，小车报警并返回，确保与障碍物之间距离S大于60cm。

如图2-2所示。

图2-2

本系统设计要求：

a.接通电源，按下开关按钮，2个步进电机按正序换相通电：

A-B-C-D-A而转动（我们规定为正向），通过齿轮传动，小车前行。

b.小车前行的同时，超声波发射与接收并在4位LED数码管上实时显示距离S

当小车与前方障碍物之间的距离S小于60cm时，小车上的蜂蜜器报警。

c.报警时，2个步进电机按反序通电换相通电：

A-D-C-B-A而转到（我们规定为反响），通过齿轮传动，小车后退。

d.当后退到距离大于60cm时，蜂鸣器停止报警。

小车后退也停止。

2.2总体电路原理图

总体电路原理图如下图2-3所示：

图2-3

第3章超声波传感器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，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。

在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的知识。

在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方式以及超声波传感系统的构成。

3.1超声波传感器的原理与特性

3.1.1原理

超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。

另外，超声波在空气中传播的速度较慢，约为330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。

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以具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。

一超声波传感器的谐振频率（中心频率）有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。

谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。

超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。

所谓压电逆效应如图3-1所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。

若在图a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。

由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。

若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。

图3-1压电逆效应

超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。

在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。

双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。

这两处的支点就成为振子振动的节点。

金属板的中心有圆锥形振子。

发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。

3.1.2特性

传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。

超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。

另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。

传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。

图3-2表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。

另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。

图3-2传感器的方向性

3.2超声波传感器系统的构成

超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图3-3所示。

发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为超声波能量并向空中辐射。

除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。

图3-3超声波传感器系统的构成

控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。

对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意距离的反射波。

另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范围。

超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。

超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。

可有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。

为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路[3]。

3.3本章小结

本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理产生超声波的。