超声波测距系统设计1.doc

专业课综合课程设计说明书目 录1.2 课题设计目的及意义日常生活应用发面：人们生活水平的提高，城市发展建设加快，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，一个能够直观地测出汽车与障碍物之间的距离的装置就变得十分必要。它可以及时将车辆与障碍物之间的距离反映出来，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；军事应用方面：超声波声纳已广泛应用于侦查探测等方面，如何提高其测量精度已是正在着重研究的课题之一，相信在不久的将来，超声波测距一定会在侦查反侦察方面起到更大的作用；工业应用方面：超声波测距仪的设计方便了管道的距离探测，消除了一些空间方面的限制，在其测量精度得到提升后，对一些精密设备的测量也将起到良好的效果。1.3 课题设计任务与要求设计一超声波测距仪，任务：1）了解超声波测距原理。2）根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。设计一超声波测距仪，要求：1）设计出超声波测距仪的硬件结构电路。2）对设计的电路进行分析能够产生超声波，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。3)对设计的电路进行分析。4)以数字的形式显示测量距离。2 方案选择的论证和选择2.1 设计方案一采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由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，途中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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：2.1图2-1 采用单片机来控制的超声波测距仪3 设计原理我们做的是基于单片机的超声波测距仪。用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。因为声音的速度会随着温度的变化而改变，所以，我们增加了温控装置，即通过温度传感器（18B20），把当前的温度信息传给单片机，再通过一定的算法，得到当前的声音速度。操作者可以通过几个简单的按键完成测量方式的选择（实时监测、手动测量）。由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，在由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，途中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340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：其中，D为换能器与障碍物之间的距离，C为波声传播速度，T为超声波发射到返回的时间间距。本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用AT89C52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。由键盘，LED显示构成人机对话通道，以及温度传感器来构成由单片机最小系统来控制的超声波测距仪，其结构框图如3-1：图3-1 总结构框图4 硬件设计介绍了本设计方案选择的情况，下面将着重按照前面所分析和采用的设计方案来完成具体的电路设计。4.1 整体电路设计整体电路的控制核心为单片机AT89S52。超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。整体结构图包括超声波发射电路,超声波接收电路,单片机电路,显示电路与温度测量电路等几部分模块组成。而超声波发射与接收电路还要加入放大电路。在发射后把信号放大，接收前也要把还再次放大。整体电路结构图如图4-1。图4-1超声波测距原理图单片机发出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LED显示。图4-2 超声波发送原理图4.2超声波测距系统设计4.2.1 超声波发射器的注意事项 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，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约为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离(s)，即为：s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。存在4个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。测距误差主要来源于以下几个方面：（1）超声波波束对探测目标的入射角的影响；（2）超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发；（3）超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响，因此需对声速加以修正。（4）由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射和反射之间的夹角，其大小为2，当很小的时候，可直接按式进行距离的计算；当夹角很大的时候，必须进行距离的修正，修正的公式为： （4-1）实际的调试过程中，要十分注意发射和接收探头在电路板上的安装位置，这是因为每一种超声波发射、接收头都有一个有效测量夹角，这里用到的发射、接收头有效测量夹角为45。接收换能器对超声波脉冲的直接接收能力将决定该系统最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。4.3 显示电路设计在单片机应用系统中，LED数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的IO接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法较为简单与便利。可以提供单独锁存的IO接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并转换器74LS164，扩展并行的IO口。需要几个数码管就扩展几个并行接口，数码管直接接在74LS164的输出脚上，单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串行移出至74LS164的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。在显示电路的设计上，利用单片机的P0P2口来控制数码管显示，这种接法虽然比较浪费管脚资源，但是对单片机的理论知识要求相对比较低，而且超声波发射和接收电路并不需要很多的管脚来支持，所以我选择这种方案。数码管的选择上，为了使数码管亮度大，本人选择了共阳极的数码管，数码管管脚接到低电平发亮。显示及其驱动电路的原理图见图4-5。图4-5 数码管显示电路4.4 稳压电源设计因为本次设计的元器件都可以使用+12V或是+5V的电源来驱动，所以我制作了一个稳压电源，它使用三端集成稳压器CW7812和CW7805来设计。通过变压器的直流电通过由二极管组成的桥式整流电路进入三端稳压元件，CW7812和CW7805分别为电路提供稳定的12V和5V直流电源。极性电容起滤波电容的作用，非极性电容则可以改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。如图4-6所示：图4-6稳压电源4.5.2 发射探头和接收探头间的影响 超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到虚假反射波结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰，但另一方面也形成了20cm左右的“盲区”。 4.5.3 超声波的衰减超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫超声波的衰减。引起超声波衰减的主要原因有： （1）扩散衰减:超声波在传播过程中，由于声束的扩散能量逐渐分散，从而使单位面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱。超声波的声压和声强均随至声源的距离的增加而减弱。 （2）散射衰减:当声波要传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时，就将产生散乱反射，从而损耗了声波的能量，被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变为热能。 （3）粘滞衰减:声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成近质点之间的内摩擦从而使一部分声能转化热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。超声波的衰减有两种表示方法。一种是用底波多次反射的次数来表示。这种方法仅能粗略地比较声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的不同材料在同样的仪器灵敏度下，观察它们的底面反射波的次数，底波次数多的材料，说明声波在该材料中衰减少，底波次数少，则声波衰减比较严重。另一种是理论上定量计算的表示方法，即用衰减系数来表示声波的衰减。4.5.4 系统干扰因素测量装置的干扰来自多方面。机械振动或冲击会对传感器产生严重的干扰;光线对测量装置中的半导体器件会产生干扰;温度的变化会导致电路参数的变动，产生干扰:以及电磁干扰等等。干扰窜入测量装置有三条主要途径，如图4-8：图4-8 产生误差的途径（1）电磁干扰干扰以电磁波辐射的方式经空间窜入测量装置。信道干扰。信号在传播过程中，通道中各元器件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。（2）电源干扰这是由于电源波动、市电电网干扰信号的窜入以及装置供电电源电内阻引起各单元电路相互祸合造成的干扰。一般情况下，电磁感应和静电感应干扰主要由发电机、电动机、大功率继电器、电台等的感应引起，其强度远小于电源接地系统和U0系统的干扰，这种干扰可采用良好的屏蔽与正确的接地、高频滤波加以抑制。因此，在微机系统中，供电系统与v0通道的干扰是问题的主要方面。（3）供电系统干扰及其抗干扰由于供电电网面对各种用户，电网上并联着各种各样的用电器。用电器在开关机时都会给电网带来强度不一的电压跳变。这种跳变的持续时间很短，人们称之为尖峰电压。它会影响测量装置的正常工作。（4）电网电源噪声把供电电压跳变的持续时间At ls者称为过压和欠压噪声。供电电网内阻过大或网内用电器过多会造欠压器声。供电电压跳变的持续时间lmsAtls ，称为浪涌和下陷噪声。它主要产生于感性用电器(如电机)在开关机时所产生的感应电动势。供电电压跳变时间的持续时间At lm s的被称为尖峰噪声。（5）供电系统的抗干扰供电系统常采用下列几种抗干扰措施: 交流稳压器。它可消除过压、欠压所造的影响，保证供电的稳定。 隔离稳压器。由于浪涌和尖峰噪声主要成份是高频分量，它们不通过变压器级线圈之间的互感祸合，而是通过线圈寄生电容祸合。隔离稳压器初次级间用屏蔽层隔离，减少级间祸合电容，从而减少高频噪声的窜入。 低通滤波器。它可滤去大于50Hz市电基波的高频干扰。对于50HZ市电基波 ， 则通过整流滤波后也能够完全滤除。 独立功能块单独供电。在电路设计时，有意识地把各种不同功能块的电路单独设置供电系统电源。这样做基本可消除各单元电路因共用电源而引起相互耦合所造成的干扰.在本系统中就采用了这种电源的配置。接地系统的设计测量装置中的地线是所有电路公共的零电平参考点。理论上，地线上所有的位置的电平应该相同。然而，由于各个地点之间必须用具有一定电阻的导线连接