带温度补偿超声波测距系统设计.docx

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带温度补偿超声波测距系统设计

南通大学

传感器与检测课程设计（预习）报告

项目：

带温度补偿的超声波测距系统设计

班级：

姓名：

学号：

联系方式：

学期：

2015-2016-2

前言

以AT89S51单片机为核心，设计了一种带温度补偿的超声波测距系统。

系统包括单片机、超声波发射及接收模块、温度补偿模块、信息显示模块。

温度补偿模块采用温度传感器DS18B20采集环境温度，根据超声波速度与温度值的对应关系及时修正波速，以纠正温度的变化引起超声波测距系统产生的误差。

一．课题调研

1.1传感器选型

集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

1.1.1可选温度传感器DS18B20

由于声音的速度在不同的温度下有所不同，因此为提高精度，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正。

系统采用DS18B20传感器测量温度，DS18B20温度传感器具有不受外界干扰、精度高、测温范围宽等优点。

单片机口接DS18B20数据总线，控制DS18B20进行温度转换和传输数据，数据总线接10kΩ的上拉电阻，作用是使总线控制器在温度转换期间无需一直保持高电平。

1.1.2可选用AD590温度传感器

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。

由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。

因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压

随温度的变化为1mV/K。

但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。

调整的方法为：

把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使

=273.2mV。

或在室温下（25℃）条件下调整电位器,使

=273.2+25=298.2（mV）。

但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。

AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。

通过查阅资料与比较分析可得：

AD590需要和高精度ADC配合使用才能得到数据，优点是速度快，编程简单，缺点是是需要校准，电路复杂，成本高。

DS18B20保证精度足够，电路简单成本低，但是编程复杂，转换速度慢，但关键的是DS18B20性价比高，如果广泛选用，所带来的社会效应比较好，有利于环保节能。

综上所述:

由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一个芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，DS18B20不需要AD转换，精度高，电路简单且成本低，可行性好，经济性好，所以选用DS18B20。

1.2超声波传感器

1.2.1超声波传感器HC－SＲF04。

选用HC-SR04集成发射与接收HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，其结构简单，使用单片机控制电路简单容易，而且价格便宜。

该模块包括超声波发射、接收与控制电路。

发射电路主要由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射头T40组成，接受电路主要由TL074运算放大器及超声波接收探头R40组成。

实物如图如下

超声波发射电路

超声波接受电路

1.2.2选用MAX232芯片 做发射电路

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，如图所示，使用+5v单电源供电。

MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。

发射电路如图

1.2.3可选用TCT40-16T和一支超声波接收传感器TCT40-16Ｒ。

TCT40-16T可以发40kHz左右的方波脉冲信号。

信号由单片机端口提供，由于单片机端口输出功率不够，40kHz方波脉冲信号需经功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求。

TCT40-16Ｒ作接收传感器，经LM358放大后进入LM567进行锁相环检波。

当LM567的引脚输入合适的信号时，其引脚产生一个负跳变，在编程时将外部中断0的中断触发方式设置为下降沿触发，就可以通过INT0产生一个外部中断申请，由CPU来检测并理。

1.2.3超声波发射电路

74LS04是德州仪器生产的六反向器，总共有14个引脚，引脚1A~6A是输入端，引脚1Y~6Y是输出端，另外还有两个分别是电源的正负Vcc和GND端

电源电压Vcc的允许范围是4.75V~5.25V，输入高电平电压最小值是

2V，输入低电平电压最大是0.7V，输出高电平的时候电流时400，输出低电平的时候电流是8mA，输出由低到高或者由高到低的传输时间最大时15ns。

超声波发射电路利用单片机AT89C51的P3.

端口发射40kHz的方波，通过芯片74LS04六反向器来驱动超声波传感器来发射超声波。

该测距电路的40kHz方波信号由单片机的

P3.5发出，方波的周期为1/40ms，即25s，半周期为12.5s。

每隔半周期时间，让方波的输出引脚电平取反，便可以产生40kHz的方波。

因为我们的单片机采用的晶振是12M的，单片机的时间分辨率是1s，所以只能产生半周期为12s或者13s的方波信号，频率分别是

41.67kHz和38.46kHz，本系统选择了后者，让单片机产生38.46kHz

的方波。

单片机的引脚产生的40kHz的方波信号，一路经74LS04的一级反向后送到超声波发射传感器的一个电极；另一路经过二级反向后送到超声波发射传感器的另外一个电极。

利用这种推挽的方式把方波信号加到超声波发射传感器的两极，这样的方式能增强超声波的发射强度，另外输出端采用两个反向器并联的方式来增强系统驱动能力，两个上拉电阻一方面可以提高反向器的驱动能力，另一方面可以增加超声波传感器的电气阻尼效果，大大缩短电气振荡的时间。

1.2.4超声波接收电路

CX20106A采用8脚单列直插塑料封装，主要由以下几个部分组成前置放大器，限幅放大器，带通滤波器，检波器，积分器和整形电路，CX20106A在输入微弱信号的时候，前置放大器具有很高的增益，而在输入强信号的时候又不会过载。

内部的滤波器中心频率可以由其引脚5外接电阻进行调节，范围可以从30kHz~60kHz。

CX20106A

的工作过程如下：

前置放大器把超声波接收传感器检测到的微弱电压信号进行放大，电压增益约为80dB，然后将放大后的信号送给

限幅放大器，使其转变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，消除干扰信号，然后经过整形后，由其引脚7输出低电平。

1.2.5选用TL074芯片作为接受电路

TL074芯片是四运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源供电工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

他的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器。

接受电路如图所示：

综上所述：

选用TL074芯片作为接受电路，选用MAX232芯片做发射电路。

但是由于学校器件选购不合适等等原因，最终选择集发射和接受为一体的HC-SR04，编程简单，可行性好，经济性也好，是很好的选择。

1.3多种实现方法。

1.3.1方法一：

系统结构框图

1.3.2工作原理

系统工作原理和功能本系统工作时，由单片机提供40kHz的脉冲信号，经放大后通过超声波发射器输出。

超声波在空气中传播，在到达被测物体时被反射回来，由超声波接收器接收。

当超声波接收器接收到反射波时，先经放大器放大，用锁相环电路检波处理后产生一个负跳变，在INT0产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务程序。

单片机在启动发射电路时同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

在外部中断程序中读取时间差，计算距离。

其中温度补偿环节为：

温度补偿环节，设超声波速度为v，往返时间为t，温度为T，v=331.5+0.61T，距离为速度除以二可得。

1.3.3方案二：

系统结构图如下。

接口向触发引脚发送≥10μs的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号，则3脚输出回响信号，所测的距离与回响信号的脉冲宽度成正比，由此可通过发射信号到收到回响信号的时间间隔计算得到距离。

超声波时序图

综上所述:

由于元器件的限制，最终选择第二种设计方案，同时，第二种方案，方便简单可行性高，同时经济性好，对社会环境影响小，所以选择第二种方案，有利于低碳环保可持续发展。

二．总体设计

2.1电路图

2.1.1超声波模块电路

TL074接受电路

MAX232发射电路

温度检测电路

LCD或LED显示模块

2.2.1主程序设计

选用社会效益、环保效益好的HC-SR04主程序流程图如下

加入温度传感部分