终超声波测距仪论文.docx
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终超声波测距仪论文
课程设计报告
设计题目:
超声波测距仪
学院:
理学院
专业:
光信息科学与技术
班级:
2010级1班
学号:
201030800121201030800117
201030800110
姓名:
叶晓林罗建华简善盈
电子邮件:
764102401@
时间:
2013年11月1日
成绩:
指导老师:
林芳
华南农业大学
理学院应用物理系
课程设计(报告)任务书
学生姓名叶晓林罗建华简善盈指导教师林芳职称授副教
学生学号201030800121201030800117
201030800110
专业光信息科学与技术
题目超声波测距仪
任务与要求
1.根据超声波测距原理,设计电路,电路发射的超声波经过障碍物的反射后,被超声波接收器接收。
利用单片机计算反射的时间差,得出电路与障碍物之间的距离。
2.认识AT89C51系列单片机的基本功能与结构。
3.掌握超声波测距的工作原理。
4.掌握单片机的中断系统及延时程序的编写方法及程序调试的方法。
5.掌握硬件设计及焊接工艺。
6.掌握画图软件protel的设计工艺。
开始日期2013年10月日完成日期2013年11月1日
超声波测距仪的设计方案
一、概述与应用背景
1课题的主要内容
基于AT89C51单片机倒车防撞系统的设计,主要是利用超声波的特点和优势,将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体,设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞,并将距离显示出来供查看的系统。
该系统采用软、硬件结合的方法,具有模块化和多用化的特点。
超声测距原理(如图1):
用单片机发出驱动信号发出超声波的同时,启动单片机的计时器,开始计时,到超声波接收器接收到信号的时候,单片机停止计时,并通过单片机计数器获得两者时间差t,利用公式S=Ct/2计算距离,然后送到显示器显示距离值。
(其中S为汽车与障碍物之间的距离,C为声波在介质中的传播速度)
超声波在相同的传播介质里传播速度相同,即在相当大的频率范围内声速不随频率变化,但其频率越高,衰减得越厉害,传播的距离也越短。
考虑实际工程测量要求,在设计超声波测距仪时,选用频率f=40kHz的超声波。
2课题背景
随着经济的发展与汽车科学技术的进步,公路交通呈现出行驶高速化、车流密集化和驾驶员非职业化的趋势。
同时,随着汽车工业的飞速发展,汽车的产量和保有量都在急剧增加。
但公路发展、交通管理却相对落后,导致了交通事故与日剧增,城市里尤其突出。
智能交通系统ITS是目前世界上交通运输科学技术的前沿技术,它在充分发挥现有基础设施的潜力,提高运输效率,保障交通安全,缓解交通赌塞,改善城市环境等方面的卓越效能,已得到各国政府的广泛关注。
中国政府也高度重视智能交通系统的研究开发与推广应用。
汽车防撞系统作为ITS发展的一个基础,它的成功与否对整个系统有着很大的作用。
从传统上说,汽车的安全可以分为两个主要研究方向:
一是主动式安全技术,即防止事故的发生,该种方式是目前汽车安全研究的最终目的;二是被动式安全技术,即事故发生后的乘员保护。
目前汽车安全领域被动安全研究较多,主要从安全气囊、ABS(防抱死系统)和悬架等方面着手,以保证驾乘人员的安全。
从经济性和安全性两方面来说,这些被动安全措施是在事故发生时刻对车辆和人员进行保护,有很大的局限性,因而车辆的主动安全研究尤为重要,引出了本文研究的基于单片机的超声波测距系统。
这个系统是一种能显示距离,供司机及时查看的探测装置。
它安装在汽车上,能探测企图接近车身的行人、车辆或周围障碍物,显示提示司机及乘员即将发生撞车危险的信号,促使司机采取应急措施来应付特殊险情,避免损失。
3课题设计的意义
随着现代社会工业化程的发展,汽车这一交通工具正为越来越多的人所用,但是随之而来的问题也显而易见,那就是随着车辆的增多,交通事故的频繁发生,由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。
对于公路交通事故的分析表明,80%以上的车祸事由于驾驶员反应不及所引起的,超过65%的车辆相撞属于追尾相撞,其余则属于侧面相撞。
奔驰汽车公司对各类交通事故的研究表明:
若驾驶员能够提早1S意识到有事故危险并采取相应的正确措施,则绝大多数的交通事故都可以避免。
超声波是一种震动频率高于声波的机械波,它具有频率高,波长短,绕线现象小,特别是方向性好,能够成为射线定向传播等特点。
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够达到工业实时要求,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
因此,大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置,减少驾驶员的负担和判断错误,对于提高交通安全将起到重要的作用。
显然,此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。
二、工作进度、组内分工与合作情况
10月25日前,完成设计方案;10月25至11月1日,完成电路设计、调试及课程设计报告。
A.罗建华、叶晓林、简善盈:
设计方案报告书、方案改进
B.叶晓林:
电路焊接、编程及成品调试
C.罗建华、简善盈:
辅助完成硬件焊接工作,协调前后工作,并完成“课程设计报告”。
三、使用主要电子元件及个数
单片机AT89C51一个、3位数码管一个、超声波发射接收模块一个、5V电源、电容、电阻
4、实验电路图
1.系统的总体设计
图2系统总框图
系统总框图如上图2所示,本系统采用AT89C51单片机作为主控器,使用3位数码管作为系统显示屏,单片机发出40kHz脉冲驱动超声波发射,使用定时器进行计时和控制,在本系统中,超声波的发射电路和接收电路,我们使用了模块。
2显示电路设计
本课题显示电路选用数码管,数码管具有低电耗、寿命长、易于维护的特点,同时精度比较高,称量快,精确可靠,编程容易,操作简单。
其连接电路如下图3所示:
图3显示电路
3系统主控制单片机电路
该系统主电路原理图如下图4所示,单片机采用89C51系列,单片机使用外部时钟源,外接12MHZ的晶振,由P1.0口直接输出40KHZ的驱动信号给超声波发射接口。
超声波接收器接收到回波后,经放大滤波后,由单片机接收进行计
算处理,并送出显示,显示电路采用简单实用的3位数码管。
图4
四、程序流程图
否
是
五、作品演示
如下图所示,其中图5是最小距离的测量结果,由于没有皮尺,还没测出最远的距离,如图6,图7都是随便测量的一个距离。
图5
图6
图7
在本电路中,只有接上5v电源,打开开关,将发射探头对准物体就可以工作,结构简单,使用方便,具有很大的应用前景。
7、设计方案中的不足及改进
本系统的不足之处是,在设计超声波测距仪时,还没有充分考虑了环境温度对超声波传播速度的影响。
由于超声波属于声波范围,其波速c与温度有关,由前人经验得出超声波的波速与温度的关系,如表1所示。
将测量的速度数据与温度数据进行一阶拟合得出:
c=331.6+0.6107xT
(2)
式中T——当地温度。
所以要改进,则在测距时,可通过温度传感器自动探测环境温度、确定其时的波速c。
波速确定后,只要测得超声波往返的时间t,即可求得距离H,这样能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。
还有,为了使车后行人知道汽车在倒车,及时进行避让,可设计了“倒车,请注意!
”的语音警告功能,同时有放光提示,提醒行人注意。
由于时间的关系,我们都没能做出上述功能,如果加上了上述功能,则该系统会具有较高的适应能力和准确度,具有较好的应用前景。
八、实验总结
在该实验的设计中,本来我们是不使用模块的,在超声波发射电路中用9012来放大信号,驱动发射探头发射超声波,而超声波接收电路则由CX20106A组成。
它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与测距的超声波频率40kHz较为接近,可以利用它制作超声波检测接收电路。
而且用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。
但由于一直测试都没有结果出来,最后一天,我们改用了模块来完成本系统的设计。
由于此次设计没有做出温度补偿和声音提醒功能,这有待于改进。
但我们理论上在讨论改进问题时已经做出了讨论,对设计有一个很好的理论基础。
设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波,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间的距离,以数字的形式显示测量距离。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,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,适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
超声波测距仪硬件电路的设计主要包括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。
其中超声波发射接收部分使用模块,单片机则采用AT89C51系列,采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的3位共阴LED数码管。
九、参考文献
(1)《单片机原理及接口技术》,北京航空天大学出版社,2006.12。
附录:
程序清单
ORG0000H
AJMPMAIN
ORG0003H
AJMPINSER
ORG0030H
;产生40KHz脉冲驱动超声波发射器
MAIN:
SETBEX0
SETBIT0
SETBEA
MOVP3,#0FFH
;设定定时器初值,计时开始
L1:
MOVTMOD,#10H
MOVTL1,#00H
MOVTH1,#00H
SETBTR1
;发送40KHz脉冲,等待回波信号
L3:
ACALLDELAY03
CPLP0.0
JBP3.2,L3
;进入中断,计算距离
INSER:
CLREX0
CLRTR0
MOVA,TH1
MOVB,#23
DIVAB
MOVR1,A
MOVA,#10
MULAB
MOVR2,B
MOVB,#10
MULAB
MOVR3,B
MOVA,TL1
MOVB,#59
DIVAB
ADDCA,R3
MOVR3,A;厘米存R3
MOVA,R2
ADDCA,#00
MOVR2,A;分米存R2
MOVA,R1
ADDCA,#00
MOVR1,A;米存R1
;结果显示
MOVDPTR,#TAB
LOOP:
MOVP2,#0FEH;位控字,先点亮最右边
MOVA,R1;取显示数据
MOVCA,@A+DPTR;取出字形码
ORLA,#80H
MOVP0,A;送出显示
ACALLDELAY02
MOVP2,#0FDH
MOVA,R2;取显示数据
MOVCA,@A+DPTR;取出字形码
MOVP0,A;送出显示
ACALLDELAY02
MOVP2,#0FBH
MOVA,R3;取显示数据
MOVCA,@A+DPTR;取出字形码
MOVP0,A;送出显示
SETBEX0
SETBTR0
RETI
TAB:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H
DELAY02:
MOVR7,#02H
DL:
MOVR6,#0FFH
DL1:
DJNZR6,DL1
DJNZR7,DL
RET
DELAY03:
MOVR5,#0DH
DL2:
DJNZR5,DL2
RET
END