基于声波定位系统的研究毕业设计论文.docx

资源描述

基于声波定位系统的研究毕业设计论文.docx

《基于声波定位系统的研究毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于声波定位系统的研究毕业设计论文.docx（35页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于声波定位系统的研究毕业设计论文.docx

基于声波定位系统的研究毕业设计论文

摘要

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自动控制技术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现场。

本课题详细介绍了能良好声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51单片机的性能和特超虑的问题，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、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

Abstract

Ultrasonicwavehasstrongpointingtonature,slowlyenergyconsumption,propagatingdistanceologycombinetogether,ultrasonicwavefindsrangetousethemostgeneraloneatpresent,itappliestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,waterlevelmeasuring,buildingconstructiofarther,so,inutilizingtheschemeofdistancefindingthatsensortechnologyautomaticcontroltechnnsiteandsomeindustrialscenesextensively

Thissubjecthceandcharacteristicofone-chipcomputerAT89C51ofAtmelCompany,andonthebasisofasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail,andtheperformananalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,taldisplayandsoftwaredesignmethodtakingAT89C51asthecore,thiscircuitofsystemisreasohehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicraspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrol,andcanreachindustry'sprangefinderofminiaturedigitnableindesign,workingstability,performancegoodmeasuringcticaldemandinmeasuringtheprecision.

KeyWords:

Ultrasonicwave；One-chipcomputer；Rangefinding；AT89C51

第1章概述

1.1单片机应用系统概述

单片机是一个单芯片形态、面向控制对象的嵌入式应用计算机系统。

它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到智能化的控制领域。

从此，计算机技术在两个重要领域——通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。

嵌入式系统无疑其应用使电子系统的智能化出现了意想不到的效果，常常无需对硬件资源做任何改是当前最热门、最具有发展前景的IT应用之一。

嵌入式系统的应用可以使传统的电子系统升级成为智能化的电子产品，使其成为具有“生命”的现代化核心部件，动，只需更新系统软件就能使系统功能升级。

现代社会中嵌入式系统无处不在，智能系统。

嵌入式系统一般应用于对实时响应要求较高的设备中，单片机作为嵌入式系统的早已被应用在国防、国民经济、以及人们日常生活的各个领域，主要可以归纳为以下几个方面。

（1）军事装备：

各种武器控制（火炮控制、弹道控制、炮弹引信等），坦克、舰船、轰炸等各种电子装备，雷达、电子对抗、军事通讯装备等。

（2）家用电器：

各种家电产品，如数字电视、机顶盒、数码相机、VCD、DVD、可视电话、洗衣机、电冰箱、手机、智能玩具等。

（3）工业控制：

各种智能仪器仪表、数控装置、可编程控制器、分布式控制系统、工业机器人、机电一体化设备、汽车电子设备等。

（4）商用设备：

各种收款机、POS系统、电子秤、条形码阅读器、商务终端、IC卡输入设备、自动柜员机、防盗系统等。

（5）办公用品：

复印机、打印机、传真机、扫描仪、手机、个人数字助理（PDA）、变频空调设备、通信终端、程控变换机、网络设备等。

（6）医疗电子设备：

各种医疗电子仪器，如X光机、超声诊断仪、心脏起搏器、监护仪器等，以及辅助诊断系统、专家系统等。

单片机应用系统的设开发环境、系统可靠性设计、电磁兼容性设计等内容。

通常开发一个单片机系统的计包括单片机基本扩展、外围电路设计和程序设计、单片机应用系统步骤如下：

总

体

方

案

设

计

设

计

单

元

电

路

安

装

调

试

编

写

软

件

程

序

在

线

调

试

软

硬

件

图11设计步骤

1.2超声波测距系统的研究背景与意义

在基于的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极的加快，城市车辆逐渐增多，因为停车不当而造成的交通事故也越来越多。

为了避免此类事故的发生，一个能够直观测出汽车与障碍物之间的距离的装置就变得十易被腐蚀、电解，失去灵敏性。

由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题。

随着人们生活水平的提高，城市发展建设分重要。

它可以及时将车辆与障碍物之间的距离反应出来，给司机以更准确的信息和更多的反应时间，减少事故的发生。

此外，超声波测量距离技术还在工业控制、传统的测量距离存在不可克服的缺陷。

例如，液面测量就是一种距离测量，传统勘探测量、机器人定位和军事应用等领域得到了广泛的应用。

超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。

通映速度快，可靠性好。

第2章超声波测距的原理

2.1超声波的基本理论

超声波是一门以物理术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。

该技率特别具有潜在能力。

因此，我国对超声波的研究特别活跃。

超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。

超声波具有聚束、定向及反变化的功率应用，称之为射、投射等特性。

按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：

用超声波使物体或物性功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。

超声波是听像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的觉阈值之外的振动，其频率范围在10Hz到10亿KHz，其中通常的频率大约在10000Hz到300万Hz之间。

超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，超声波就尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。

于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用：

1超声波的传播速度

超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：

横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；之间，沿表面传播的波。

横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。

为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。

超声纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波和横波波的频率越高，越与光波某些特性相似。

2超声波对声场产生的作用

（1）机械作用

超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的振动的频率的平方成正比的质点变化将引起机械效应。

超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波的加速度却很大。

有时足以达到破坏介质的程度。

（2）空化作用

在流体动力泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气动力学过程称为空化。

（3）热学作用

如果超声波动，使介质产生强烈作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。

3超声波传感器

超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。

压电陶瓷压的大小和方向成正。

也就是说，若在压电晶片两边加以频率为

的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当

落在音频范围内时便会发出声音片具有如下特性：

当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电。

反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。

超声波传感器结构如下：

图21元件内部结构图22超声波外部结构

2.2超声波测距系统原理

超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,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,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t,就可以计算出发射点距障碍物的距离S,即:

S=v*△t/2①

这就是所谓的时间差测距法。

由于超声波也是一种声波,其声速C与温度有关,表1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。

常温下超声波的传播速度是334米/秒,但其传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1℃,声速增加约0.6米/秒。

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（本系统正是采用了温度补偿的方法）。

已知现场环境温度与常温的差值为△T时,超声波传播速度V的计算公式为：

V=331.45+0.607△T②

限制该系统的最大可测距离存在四个因素：

超声波的幅度、反射物的质地、反射和入射声波决定最小可测距离。

为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差，可采用多个超声波换能器分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别作为多路超声波发射/接收的设计方法。

由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关。

下图列出了几种不同温度下的波速：

表21温度与声速关系

温度

℃

-30

-20

-10

100

声速米∕秒

313

319

325

332

338

344

349

386

单片机发出40kHZ的信号，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，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送液晶显示器显示。

超声波测距原理框图如图所示。

图23超声波测距仪原理框图

第3章系统主要硬件设计

3.1方案论证与比较

超声波发射电路：

下图是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构成的电路简单，调试容易。

很容易通过软件控制。

图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。

且成本低廉。

图31超声波发射电路

从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。

超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分，超声波探头（“也称为超声波换能器”）的型号选用CSB40T（其中心频率为40KHz）。

可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声波。

这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。

第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。

这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。

本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74LS04，74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。

74HC04的管脚如下图所示。

图3274LS04管脚图

超声波接收电路：

超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。

CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。

由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。

本次设计为了降低调试难度，减少成本装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理，该芯片内部。

超声波接收及信号处理电路是此系统设计和调试的一个难点。

超声波接收器接收反射的超声波转换为40KHz毫伏级的电压信号,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断INT0。

一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大小变化较大,需要放大倍数大约为100到5000倍,另一方面传感器输出阻抗较大,这就需要高输入阻抗的多级放大电路,这就会引入两个问题:

高输入阻抗容易接收干扰信号,同时多级放大电路容易自激振荡。

参考各种资料最后选用了SONY公司的专用集成前置放大器CX20106达到了比较好的效果。

CX20106由:

前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。

其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载。

其述为:

在接收到与滤波器中心频率相符的信号时,其输出脚7脚输出低电平。

芯片中的带通滤波器带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。

其主要指标:

单电源5V供电，电压增益77-79DB,输入阻抗27KΩ,滤波器中心频率30K-60KHz。

功能可描、积分器等使得它抗干扰能力很强。

使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。

其总放大增益80db。

CX20106构成本次设计接收电路如下图：

图33cx20106接收电路

使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。

其总放大增益80db。

以下是CX20106A的引脚注释。

1脚：

超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。

2脚：

该脚与地实际使用中不必改动，推荐选用参数为R4=4.7Ω，C4=1μF。

3脚：

该脚与地之间连接检之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。

增大电阻R4或减小C4,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。

但C4的改变会影响到频率特性，一般在波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。

4脚：

接地端。

5脚：

该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。

例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。

6脚：

该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

7脚：

遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。

8脚：

电源正极，4.5～5V。

为了使测量更加精准我们直接采用HC-SR04超声波收发模块，它可提供2cm--400cm的非接触式距离感测功能。

测量精度可达到3mm（本作品因测量工具限制，测量精度在10mm）。

模块包括超声波发射器、接收器及其控制电路。

基本工作原理：

图34按时打发打发

（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号。

（2）模块自动发射8个40khz的方波，并检测信号是否有返回。

（3）有信号返回，通过IO端口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到接收所用的时间。

测量距离=高电平持续时间*声速/2。

如实物图所示：

VCC提供5V电压，GND接地，GRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四只线。

表31电气参数

电气参数

HC-SR04超声波模块

工作电流

15mA

工作频率

40Hz

工作电压

DC5V

最远射程