智能障碍探测仪课程设计综述.docx
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智能障碍探测仪课程设计综述
南京工程学院
课程设计任务书
课程名称《传感器与检测技术》及《智能仪器》综合课程设计
题目智能路灯亮灭控制系统
院（系、部、中心）自动化学院
专业测控技术与仪器
班级
姓名
学号
起止日期
指导教师
智能障碍探测仪
1.智能障碍探测仪的设计要求
2.课题设计思路及其总体方案
3.超声波测距的工作原理
4.超声波测距发射各模块分析与电路图设计的构思
5.超声波测距接收方案设计
6.超声波测距特点及影响因数
7.软件设计
8.实物检验
9.参考文献
10.总结
1．智能障碍探测仪的设计要求：
采用MCS51系列单片机构建系统。
探测距离为3米，若3米以内有障碍物，系统发出声或光报警信号。
二．课题设计思路及其总体方案
因为涉及到距离探测，必须要对距离进行测量。
在经过查阅资料和网络收索之后总结出测量距离的方法有以下几种：
（1）激光测距：
激光测距的稳定性好，精度高，但是激光的传播速度为光速，适合大量程测量，而本课题所需测量的距离较短，仅为3米，则不宜采用激光测距。
（2）超声波测距：
超声波的传播速度为声速，在常温下，标准空气中传播速度为335.5米/秒。
测量的距离为3米，则所需的时间大概在毫秒级，比较容易测量，且温度每变化一度对声速的影响仅有0.6m/s，受到外界的干扰较小。
另外超声波传感器的价格适中，易于实现，因此选用超声波传感器测距.
三.采用脉冲回波法测量超声波经反射到达接受传感器的时间和发射时间之差来实现测距，也叫渡越时间法。
其原理图如下图所示。
首先由发射传感器向空气中发射超声波脉冲，声波脉冲遇到被测物体反射回来，由接受传感器检测回波信号。
若测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t，即可算得传感器与反射点间的距离s。
s=c*t/2
式中：
c为材料中的声速，t为声波的往返传播时间。
经过上面的陈诉，本组已经基本确定了智能障碍探测仪的设计方案。
采用AT89S51单片机作为主控制器，用液晶显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波发射和接收采用超声波发射模块和接受模块实现。
4．模块分析
1.信号发生模块
选取一个8051单片机芯片，将晶振电路、复位电路、电源电路连接到单片机相应的引脚上组成单片机的最小系统。
利用单片机的中断资源和I/O口资源进行相应连接并进行程序编辑：
用P3.2口控制初始信号的发射与否，用P0.O口、P0.1口发射初始信号，如图1所示。
晶振电路
复位电路
电源电路
8051单片机芯片
2.信号处理模块
（1）驱动电路的设计
如果将两列波（0.03MHz）直接从单片机的输出口PO.O和P0.1输出接入后面的5倍频电路，可能会由于电流小而不能驱动倍频电路。
从这点来考虑就需要在单片机与倍频电路之间接入一个驱动电路，如图2所示。
在单片机的一个输出口接一个非门，而后接入由4个非门并联的电路，由于非门是有源器件，这样就使得输入倍频电路的信号能量大大提高，起到驱动电路的功能.
（2）倍频电路的设计
根据电容电感元件的基本特性，以及电路的相关知识可以由已知条件得出：
如图所示，当在LC并联电路中发生并联谐振时，由电路的特性可知：
并联谐振具有下列特征：
（1）谐振时电路的阻抗模为|Zo|=1/（RC/L）=L/RC。
其值最大，即比非谐振情况下的阻抗模要大。
因此在电源电压U一定的情况下，电路中的电流I将在谐振时达到最小值，即I=IO=U/（L/RC）=U/|Zo|。
（2）由于电源电压与电路中电流同相（∮=0），因此电路对电源呈现电阻性。
谐振时电路的阻抗摸|Zo|相当于一个电阻。
（3）谐振时各并联支路的电流为：
IL=U/2πfoL;Ic=U/（1/2πfoC），可见IL=Ic>Io，品质因数Q=IL/Io。
（4）当电路发生谐振时，电路阻抗模最大，电流通过时在电路两端产生的电压也是最大。
当电源为其他频率时电路不发生谐振，阻抗模较小，电路两端的电压也较小。
这样就起到了选频的作用。
电路的品质因数Q值越大，选择性越强。
通常把晶体管的输出特性曲线分为3个工作区：
（1）放大区。
输出特性曲线的近于水平部分是放大区。
在放大区，Ic=βIb。
放大区也称为线性区，因为Ic和Ib成正比的关系。
当晶体管工作于放大区时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管来说，应使Ube>O，Ubc
（2）截止区。
Ib=0的曲线以下的区域称为截止区。
Ib=0时，Ic=Iceo。
对NPN型硅管而言，当Ube<>
（3）饱和区。
当Uce
LC选频电路接在集电极电路中，通过的交流电流为Ic，其两端交流电压为Uce（即为输出电压），它是并联交流电路。
当发生并联谐振时，谐振频率可求得，当将振荡电路与电源接通时，在扰动信号中只有频率为f0的分量才发生并联谐振。
在并联谐振时，LC并联电路的阻抗最大，并且是电阻性的（相当于集电极负载电阻Rc）。
因此，对f0这个频率来说，电压放大倍数最高，当满足自激振荡的条件时，就产生自激振荡。
对于其他频率的分量，不能产生并联谐振，这就达到了选频的目的。
在输出端得到的只是频率为f0的信号。
当改变LC电路的参数L或C时，输出信号的振荡频率也就改变，于是就可以进行倍频，本实验用的是五倍频，如图下所示。
在实验中已知频率和电容参数计算电感参数，由已知条件可得：
Ll=L2=11257.9nH;L3=112.58nH。
（3）整波电路的设计
在本实验中运用的是CD4069集成非门电路，非门主要是将输入信号波整合成方波以便于后面与门对波的进一步处理。
只要工作电压达到非门的开启电压经过这样的处理就可将输入波整合成方波，如图所示。
由5倍频放大器输出的信号频率经由两个非门后输出的信号应为方波.
（4）和频电路的设计
在本实验中运用的是CD4081集成与门电路，与门主要是将输入的两列方波信号相互作用后再输出，而后进入后面的5倍频电路进行进一步的处理。
在本实验中与门起到了乘法器的作用，并且可以减少杂波的干扰，使实验效果更加良好。
（5）选频电路的设计
在本实验中运用的5倍频选频电路和5倍频倍频电路的原理相同，如图所示。
（6）补充模块：
超声波软件开始发射时，启动CD4069电源，发射完后关闭CD4069的电源，VDD为CD4069的电源端，其方法是利用单片机的P1.2口来控制CD4069的电源开与关，可以有效减少电源的干扰。
其电路如图。
五．超声波接收电路如图
此接收电路接收到的超声波信号经过三级20*20*10=2000倍左右的放大。
可以测量高达3m远的距离，然后给LM358做电压比较得到TTL方波信号给单片机接收。
此电路优点：
为一个40khz的带通滤波器，就是Q值过低，此电路有以下缺点：
第一：
LM324其对40khz的信号放大时，放大倍数受到频率高的限制，即增益带宽积fH*Au，使放大倍数最高位20，这是经过示波器多次数据测量和观察的结果。
第二：
电源不能很稳定，没有做稳压块，会使LM358电压比较器的参考电压受到波动，只要有一点波动会使反向放大器波形受到破坏，这个电压稳定相当重要。
第三：
带通滤波效果差，Q值低，因而外界干扰信号或噪声干扰也得到比较大的放大。
六．超声波测距注意问题及改善方法
a.温度影响测量精度：
稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件.。
而超声波在空气中传播时，其速度受到了温度、湿度、粉尘、大气压、气流等因素的影响。
其中温度影响最大，超声波在空气中的速度与温度的关系表达式为:
由泰勒公式展开可近似为c=331.5+0.607t式中，t是环境摄氏温度（℃）。
所以，温度每变化1℃，
波的速度变化为0.6m/s。
可见温度对声速影响很大，测量时必须进行温度补偿。
b.超声波在空气中传播经过多条相隔很近的路径多次来回影响，解决方法有两个：
第一是超声波发射间隔时间增长；第二就是超声波发射模块做小，同时探头T与R平行于电路板，减小其来回反射路径。
7．程序设计：
#include"reg52.h"
#defineufloatunsignedfloat
#defineucharunsignedchar
sbitTrig=P1^1;//发射端口
sbitEcho=P1^2;//接收端口
sbitBEEP=P1^4;//蜂鸣器端口
sbitLIGHT=P2^1;//灯光端口
sbitrs=P2^6;//LCD写指令控制端口
sbitrw=P2^5;//LCD写数据控制端口
sbiten=P2^7;//LCD片选信号端口
uchardispbuf[4]={13,13,13,13};
charcodeint_to_char[]="0123456789.-+";
unsignedlongjuli;
unsignedlongS;
intm;
//unsignedcharnum;
unsignedinttime=0;//回波脉冲宽度
voiddelay（unsignedinti）//延时函数
{ucharj;
while（i--）
{
for（j=20;j>0;j--）;
}
}
voidDelayUs2x（unsignedchart）
{
while（--t）;
}
voidDelayMs（unsignedchart）
{while（t--）
{//大致延时1mS
DelayUs2x（245）;
DelayUs2x（245）;
}
}
voidlcd_wcom（ucharcom）//LCD写指令
{rs=0;
rw=0;
P0=com;
delay（25）;
en=1;
en=0;
}
voidlcd_wdat（uchardat）//LCD写数据
{rs=1;
rw=0;
P0=dat;
delay（25）;
en=1;
en=0;
}
voidlcd_init（）//LCD初始化
{lcd_wcom（0x38）;
lcd_wcom（0x0c）;
lcd_wcom（0x06）;
lcd_wcom（0x01）;
}
voidHC（）//为LCD显示做准备
{juli=S;
dispbuf[0]=juli/100;//个位
dispbuf[1]=10;
dispbuf[2]=juli%100/10;//第一位小数
dispbuf[3]=juli%10;//第二位小数
}
voiddisplay（）//LCD显示
{HC（）;
lcd_wcom（0x80）;
for（m=0;m<4;m++）
{
lcd_wdat（int_to_char[dispbuf[m]]）;
}
}
voidInit（void）//初始化
{
TMOD=0x11;//设T0为方式1
TH0=0;
TL0=0;
ET0=1;//允许T0中断
TH1=（65536-4000）/256;
TL1=（65536-4000）%256;
ET1=1;//定时器中断打开
TR1=1;//定时器开关打开
EX0=1;
IT0=1;
EA=1;//开启总中断
}
voidStartModule（void）//启动测距6
{
Trig=1;
DelayUs2x（15）;
Trig=0;
}
voidSonic（void）
{
StartModule（）;
while（Echo==0）;//当RX为零时等待
TR0=1;//开启计数
while（Echo==1）;//当RX为1计数并等待
TR0=0;//关闭计数
time=TH0*256+TL0;
TH0=0;
TL0=0;
S=（time*（5.4253*（3314+6.07*33）））/1000000;//time*12/11.0592/10000*T_S/2T_S=331.4+0.607temperature
}
voidmain（）
{
lcd_init（）;
Init（）;
while
（1）
{
DelayMs（80000）;
Sonic（）;
if（S>50）
{BEEP=1;
LIGHT=1;
display（）;
}
if（S<=50）
{BEEP=0;
LIGHT=0;
display（）;
}
}
}
8．实物检验：
选用的为US-100超声波传感器
1.US-100超声波测距模块可实现2CM~4.5M的非接触测距功能，拥有2.4~4.5的宽电压输入范围。
工作稳定可靠。
2.主要技术参数
a.使用电压：
DC5V
b.静态电流：
小于2mA
c.电平输出：
高5V
d.电平输出：
底0V
e.感应角度：
不大于15度
f.探测距离：
2cm-450cm
g.高精度：
可达1mm
Pin接口为2.54mm间距的弯排针，如图下所示：
3.接线方式
从左到右依次编号VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND（地线）
4.使用方法
一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了~~
5.工作原理
（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测
试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;
6.结果分析：
因实验场地较小，暂时设定报警范围为50cm，如下图所示，当障碍物的距离为33cm时，报警灯亮（图左上角红灯），蜂鸣器响，当障碍物距离为76cm是在报警范围之外，报警灯不亮，蜂鸣器也不响。
9．实验总结：
本组只有两个人一起做这个实验，一位负责硬件，一位负责软件编程，分工明确，虽然工作量相对其他组较大，但是我们都学到东西，深入的了解了此方面的知识点，和熟悉了课程设计的大致流程，为以后的实验做准备。
另外此次超声波发射模块是在查找了众多的资料和在对比了多种方案的优缺点之后完善而来，也即网上的或是书本上的知识并非全是完美的，在此次的实验中我懂得了：
活用身边的资源，在理解的基础上加以完善和改进才能完全掌握，活学活用，成为自己的知识。
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