电子设计竞赛设计报告-超声波测距仪

“第六届”电子设计竞赛设计报告电气信息学院作品名称:超声波测距报警器姓名:徐明波陶勇顾金龙年级专业:07测控07级电气工程07级电气工程指导教师:李涛完成时间:2010年4月6日西华大学电子设计竞赛设计报告超声波测距报警器摘要：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。本文主要介绍超声波在汽车防撞报警系统中的应用，以STC89C52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。Abstract:Astheultrasonicpointtostraight,energyconsumptionisslow,anditcanspreadalongdistanceinthemedium,thereforeitisoftenusedindistancemeasurements,suchasrangefindersandLevelMetercanbeachievedbyultrasound.Inthispaper,ultrasoniccollisionwarningsystemisusedinthewaytoprotectthecarfrombreakingintoanother.HereweusethechipofSTC89C52tohelpuscompletethiswork,asitslow-cost,highprecision,miniaturedigital.关键词：超声波发生器超声波换能器测距Keywords:Ultrasonicgenerator;ultrasonictransducer;ranging西华大学电子设计竞赛设计报告1方案论证与比较1.1方案一：激光测距传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。常要求电子产品分辨出ns级别的电信号。这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。1.2方案二：超声波测距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：s=340t/2。1.3方案论证与比较因为我们选择使用的是MCS51单片机，而51单片机的周期最小为1us，在我们需要的精度要求内单片机无法满足激光测距仪的要求,更达不到激光测距所要求的电子产品的反应速度，而超声波测距在相对来说，经济实惠、结构简单并且易于操作。所以我们选择超声波测距来实现测距达到我们最终的设计目的。2理论分析与计算2.1的超声波发生器为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2.2压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。2.3超声波测距原理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。超西华大学电子设计竞赛设计报告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：s=340t/2。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。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如图1所示。表1声速与温度关系表温度（℃）-30-20-100102030100声速（米/称）3133193253233383443493863系统设计3.1超声波的发射与接收电路为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各有不同。幕墙较为常见的是压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图3.2.1，它有两个压电晶片和一个共振板。当它两极歪加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，便产生了超声波。西华大学电子设计竞赛设计报告图3.2.1超声波发生器内部结构在这个超声波测距报警系统中，如图3.2.2所示的超声波发生电路，我们采用的超声波探头为图3.2.1中的压电式超声波探头，发射头T在要求的频率下产生超声波信号并向固定的方向发射出去，当超声波信号遇到前方的障碍物就会被反射回来，这时超声波接收头接收到被反射胡来的超声波信号并立刻产生一个低电平，这个低电平就送向单片机进行处理，以达到测距的要求。图3.2.2超声波发生电路如图3.2.3所示，为超声波接收电路。当超声波接收探头接收到超声波后，超声波接收芯片CX20106的7脚产生一低电平，触发单片机的外中端口IT0端，通过计时计算超声波所测得的距离。图3.2.3555定时器组成的多谐振荡电路西华大学电子设计竞赛设计报告在该超声波测距报警器系统中，我们使用的是压电式超声波发生器，为使超声波探头T发出我们需要的超声波，我们就得给超声波探头T一个频率，使其等了超声波探头T的固有频率，让超声波探头T中的压电晶片产生共振并带动共振板振动，产生超声波。在这个系统中，我们采用的超声波探头的固有频率是40kHz，因此我们需要给超声波探头T送一个40kHz的方波信号。如图3.2.1所示的电路，采用555定时器组成的多谐振荡器来产生所需要的40kHz的方波信号。Tpl=0.7R2C(3-1)Tph=0.7（R1+2R2）C(3-2)由式子(3-1)和(3-2)得到f=1.43/（R1+2R2）C最终，555产生的方波信号如图3.2.2所示。图3.2.2555产生的方波信号3.2显示电路LCD1602电流小，功耗低，显示直接方便。超声波测得的距离数据可以通过其显示出来。西华大学电气协会ElectricUnionofXihuaUniversity液晶显示器160212345678910111213141516LCD1602GNDVCCW1103GNDENRWRSPORT10PORT11PORT12PORT13PORT14PORT15PORT16PORT17GNDVCC图3.2.1显示模块西华大学电子设计竞赛设计报告3.3键盘输入本系统通过4×4矩阵键盘输入数据,在测距过程中,输入一个数据,当作预置距离,当测得的距离超过这个距离的时候,系统报警。键盘如下图所示.K2K3K4K5K6K7K8K9K10K11K12K13K14K15K16K17PORT20PORT21PORT22PORT23PORT24PORT25PORT26PORT27图3.3.1键盘4软件设计4.1该系统的主程序处于键控循环工作方式，当按下测量键时，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来。西华大学电子设计竞赛设计报告5.测试数据系统测试1、测试仪器序号类型型号序号类型型号1示波器42万用表DT9205532、测试方法555定时器产生方波，由超声波发射探头发出超声波再由超声波接受探头接收超声波。调试时先用示波器测试555定时器是否产生40KHz的方波。当555定时器产生了40KHz的方波之后在用示波器显示接收探头接收到超声波之后两端的电压是否由高电平降低为低电平。如果产生则调试成功。西华大学电子设计竞赛设计报告6结论超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。本文介绍一种以AT89C52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。实际使用证明该仪器工作稳定，性能良好。虽然用一个单独计时器电路也可以测量超声波的传输时间，但利用AT89C52单片机可以简化设计，便于操作和直观读数。该系统经实际测试证明，可以满足大多数场合的测距要求。西华大学电子设计竞赛设计报告附录一、相关设计图EA/VP31X119X218RESET9RD/P3.717WR/P3.616INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/P30TXD/P3.111RXD/P3.010IC189C52X1X2RESETR91kVCCC122pC222pCY112MHzX1X2GNDC322uFR1110kR1010kK1VCCGNDRESETPORT10PORT11PORT12PORT13PORT14PORT15PORT16PORT17PORT32PORT33PORT34PORT35PORT36PORT37R1510R2510R3510R4510R5510R6510R7510R8510VCCENRWRSPORT03PORT04PORT05PORT06PORT07PORT20PORT21PORT22PORT23PORT24PORT25PORT26PORT27RXTX12345678J2CX2010612J1RXR1410C63.3uFGNDC4473C53.3uFR17200kVCCC7330GNDVCCR18220kPORT34GND1TK2OUT3R4CL5TR6TC7VCC8IC2NE555C8103GNDC9103R202.2kX2R19100R152.2kX2R12100T19013VCCPORT0356U1C89U1D1011U1E34U1B12U1A74ALS0412J3TXR131kR161kVCC西华大学电气协会ElectricUnionofXihuaUniversity液晶显示器160212345678910111213141516LCD1602GNDVCCW1103GNDENRWRSPORT10PORT11PORT12PORT13PORT14PORT15PORT16PORT17GNDVCCK2K3K4K5K6K7K8K9K10K11K12K13K14K15K16K17PORT20PORT21PORT22PORT23PORT24PORT25PORT26PORT2712J4CON2C10470uFC11