1、联系方式: 学 期: - -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
2、、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,应经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 10 k 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
3、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,常见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1k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
4、为电流再经过放大器和A/D转换器,输出数字量送给单片机进行温度控制。经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,可是编程复杂,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,因
5、此选用DS18B20。1.2超声波传感器1.2.1超声波传感器 HC SF04 。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,
6、使用+5v单电源供电。MAX220MAX249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,特别是无法提供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 TCT40-16。TCT40-16T 能够发40 k Hz 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,40 k Hz 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。TCT40-16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
7、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,就能够经过 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 1A6A 是输入端,引脚 1Y6Y 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 4.75V5.25V,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 8m A ,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 AT
8、89C51 的 P3. 端口发射 40k Hz 的方波,经过芯片 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 40k Hz 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,便能够产生 40k Hz 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,因此只能产生半周期为 12s 或者 13s 的方波信号,频率分别是 41.67k Hz 和 38.46k Hz,本系统选择了后者,让单片机产生 38.46k Hz 的方波。单片机的引脚产生的 40k Hz 的方
9、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能够提高反向器的驱动能力,另一方面能够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CX 6A 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,CX 6A 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
10、入强信号的时候又不会过载。内部的滤波器中心频率能够由其引脚 5 外接电阻进行调节,范围能够从30k Hz60k Hz。CX 6A 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 80d B,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。她的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和其它所有可用单电
11、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。可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 40 k Hz 的脉冲信号,经放大后经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
12、,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10 s 的脉冲触发信号,该模块内部将发出 8 个 40 k Hz 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,由此可经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,因此选择第二种方案,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
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