傳感器與測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)1.doc

1、傳感器與測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)校四川廣播電視大學(xué)專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化班級02姓名陳康峰學(xué)號指導(dǎo)教師熊紀(jì)宇完成時間 2014 年 4 月 18 號目錄一、課程設(shè)計(jì)目的.2二、課程設(shè)計(jì)題目.2三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求.21、設(shè)計(jì)內(nèi)容 .22、設(shè)計(jì)要求 .2四、傳感器工作原理.2五、系統(tǒng)框圖 .4六、單元電路設(shè)計(jì)原理.41、 LED顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計(jì)42、超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì).53、超聲波接收電路設(shè)計(jì).74 、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計(jì).8七、軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試.91、 主程序流程圖.10發(fā)射程序與接收流程圖.10中斷子程序及流程圖.11距離計(jì)算與顯示子程序.12八、設(shè)計(jì)中

2、的問題及解決方法.13九、參考文獻(xiàn) .14一、 課程設(shè)計(jì)目的通過傳感器及檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。二、 課程設(shè)計(jì)題目：超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1、設(shè)計(jì)內(nèi)容采用 40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離。可采用發(fā)射和接收之間的距離，也可將發(fā)射和接收平行放在一起，通過反射測量距離。功能： 1） LED數(shù)碼管顯示測量距離，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位（單位：cm）。2）測量范圍：30cm 200cm，3）誤差0.5cm。4）其它。2、設(shè)計(jì)要求1）掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。2）獨(dú)

3、立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3） 設(shè)計(jì)說明書格式規(guī)范，層次合理，重點(diǎn)突出。并附上詳細(xì)的原理圖四、傳感器工作原理超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲接收波換能器。超聲測距大致有以下方法：取輸出脈沖的平均值電壓， 該電壓 ( 其幅值基本固定 ) 與距離成正比，測量電壓即可測得距離； 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t ，測距原理如圖 2-1 所示

4、，距離公式為 s=ct/2，其中 c 為聲速。通過測量發(fā)射與接受裝置之間的距離h， 利用直角三角形可求得 ds22。本測量電路采用第二種方（ h / 2） 。因?yàn)?sh，則 d=s，d=s= ct/2案。Shd目圖 4-1 測距原理圖在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334 米 / 秒，但其傳播速度v 易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1，聲速增加約0.6 米/ 秒。聲速與溫度關(guān)系如表 4-2 所示。因此在測距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過對溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?已知現(xiàn)場環(huán)境溫度 T 時，超聲波傳播速度 V 的計(jì)算公式可近似如下：V=+這樣，

5、只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t 以及現(xiàn)場環(huán)境溫度T，就可以精確計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。表 4-2 聲速與溫度關(guān)系表：溫度 -30-20-10010203040（）聲速 313319325332338344350356（ m/s ）五、系統(tǒng)框圖LED 顯示電路發(fā)射發(fā)射發(fā)射電路單片機(jī)障礙物通信接口接收電路接收接收六、單元電路設(shè)計(jì)原理1、 LED顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計(jì)顯示器是一個典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單最直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管， 而復(fù)雜的教完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者

6、屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求，由于只需顯示距障礙物的距離，因此選用LED數(shù)碼管， 通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示。動態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8 個筆劃斷a dp 同名端連在一起， 而每一個顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立的受 I/O 線的控制。 CPU向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮， 則取決于 COM端，而這一端是由 I/O 控制的， 所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮過程中，每位

7、顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約 1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非人同時點(diǎn)亮， 但只是掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。 采用靜態(tài)掃描方式控制點(diǎn)亮LED數(shù)碼管無位選信號， 各數(shù)碼管是同時點(diǎn)亮的，每個數(shù)碼管顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時送給，其原理比較簡單。 靜態(tài)掃描顯示編程容易， 顯示比較清晰， 亮度一般較高，但要求占用很多I/O 接線口和增用不少硬件芯片，成本較高。因此，我采用動態(tài)掃描。設(shè)計(jì)的顯示電路采用 4 位一體八段共陰極數(shù)碼管顯示，段碼直接由單片機(jī)的P0 口來驅(qū)動，因?yàn)?P0 口的內(nèi)部無上拉電阻， 需在外部接

8、上拉電阻； 位碼則通過 4 個 NPN型三極管來驅(qū)動，同時接單片機(jī) P2 口。顯示電路如圖6-1 所示。圖 6-1 顯示電路在外圍的鍵盤控制電路中，設(shè)置了四個獨(dú)立按鍵，分別與單片機(jī)的相連，當(dāng)按下S1時，啟動超聲波發(fā)射，開始測距；當(dāng)按下S2 時，停止發(fā)射超聲波，即停止測距；S3 為報(bào)警開關(guān)，當(dāng)測量到距離過近時，蜂鳴器電路發(fā)出警告，此時按下S3 鍵，即可停止報(bào)警，S4 為預(yù)留出來的按鍵，當(dāng)需要的時候可以實(shí)行編程控制。電路設(shè)計(jì)如圖6-2 所示。圖 6-2鍵盤控制電路2、超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射和接收是由超聲波換能器來完成的，也就是我們俗稱的探頭。超聲波的發(fā)射與接收可采用一體式的或獨(dú)立式的，但是

9、一體式的盲區(qū)問題比較嚴(yán)重，所以本次設(shè)計(jì)選擇發(fā)射和接收探頭分開的，具體將采用超聲波發(fā)射換能器TCT40-16BT 和超聲波接收換能器TCT40-16BR。命名規(guī)則：型號： TCT40-16BT 或（ R）類別： TC壓電陶瓷超聲波傳感器；T通用性； T發(fā)射 /R接收外徑： 16 代表 16mm外殼材料：鋁外殼顏色：銀色具體參數(shù)：中心頻率：kHz輸出電壓 : 115dB接收靈敏度：-65dB靜電容量： 2000pF 20%指向角： 80工作溫度 : -20 +70超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、 電磁式等， 而以壓電式最為常用。壓電型超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利

10、用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)化成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)化為電信號，可作為接收頭。超聲波發(fā)射電路， 是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40-16BT 能向外界發(fā)出40 kHz 左右的方波脈沖信號。 40 kHz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)端口輸出40 kHz 左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz 方波脈沖信號分成兩路，一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經(jīng)兩級反相器后送到超聲波換能器

11、的另一個電極。 用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，實(shí)際上構(gòu)成了一個橋式電路，輸入與輸出的相位圖如圖3-4 所示，再加上輸出端上拉電阻R3， R4，一方面可以提高反向器 MC14069UB輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。發(fā)射電路如圖6-3 所示。圖 6-3 超聲波發(fā)射電路3、超聲波接收電路設(shè)計(jì)上述 TCT40-16BT 發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波 ( 回波 ) 順利接收到超聲波接收換能器TCT40-16BR進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成

12、芯片CX20106，得到一個負(fù)脈沖送給單片機(jī)的(INT0) 引腳，以產(chǎn)生一個中斷。CX20l06A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外接收芯片，也適用于超聲波接收。其采用單列8腳直插式，超小型封裝。+5V 供電。以下是 CX20l06A 的引腳注釋：1 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k 。2 腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R 或減小 C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C 的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R= ，C= F 。3 腳：該腳與

13、GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小， 則為峰值檢波， 瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 F 。4 腳：接地端。5 腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻， 用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率fn ，阻值越大，中心頻率越低。 例如，取 R=200k 時，f0 42kHz，若取 R=220k， 則中心頻率f0 38kHz。6 腳： 該腳與 GND之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22

14、k ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8 腳：電源正極，5V。接收部分的電路如圖6-4 所示。圖 6-4超聲波接收電路可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，也適用于超聲波，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、 外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz 與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且 CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0 可由其5 腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30 60 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器

15、、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇， 濾除干擾信號， 再經(jīng)整形，送給輸出端7 腳。當(dāng)接收到與 CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7 腳就輸出低電平，而輸出端7 腳直接接到 SST89E564的 INT0 引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5 的外接電阻R7，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 kHz ，就可達(dá)到理想的效果。4 、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計(jì)由于 MCS 51 使用的是正邏輯的TTL 電平，為了達(dá)到電平匹配，在 MCS51 組成系統(tǒng)板

16、上的 RS口必須經(jīng)電平轉(zhuǎn)化后輸出，可以使用美信MAX232ECA芯片，外圍電路非常簡單，只需要 4 個 F的電容器，可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，電路如圖6-5 所示。圖 6-5串口通信電路如圖 6-6 所示，蜂鳴器的正極接到VCC（+5v）電源上面，蜂鳴器的負(fù)極接到三極管的集電極， 三極管的基極經(jīng)過限流電阻R20 后由單片機(jī)的引腳控制，當(dāng)輸出低電平時，三極管導(dǎo)通， 這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng)輸出高電平時，三極管截止，沒有電流通過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲。我們在測距過程中，當(dāng)與障礙物的距離過近，蜂鳴器就可以發(fā)出報(bào)警音，起到提示的作用。圖 6

17、-6蜂鳴器電路七、軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括中斷主程序、入口程序、定時器0 中斷程序、顯示子程序、超聲波發(fā)射子程序、延時子程序、距離計(jì)算子程序和報(bào)警子程序設(shè)計(jì)等。1、 主程序流程圖主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0 工作模式為16 位定時 / 計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并清計(jì)數(shù)器，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時 （這也就是超聲波測距系統(tǒng)會有一個最小可測距離的原因）后才可打開外部中斷0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是24MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個數(shù)就是s，所以當(dāng)當(dāng)主程序檢測到

18、接收成功的標(biāo)志位后，調(diào)用測距子程序，即可算得被測物與測距器之間的距離，最后顯示在LED上，主程序流程圖如圖 7-1 所示。開始單片機(jī)初始化發(fā)射脈沖N判斷是否有回波Y接收脈沖計(jì)算距離顯示圖 7-1主程序流程圖發(fā)射程序與接收流程圖系統(tǒng)軟件編制時應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時還要進(jìn)行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計(jì)中引腳連接到推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，引腳輸出的將是軟件方式產(chǎn)生的40 kHz 方波，而 (INT0) 則被用來接收回波。定時器 T1，T0 均工作在工作方式1，為 16 位計(jì)數(shù)， T1 定時器被用來開啟一次測距過程以它的溢出為標(biāo)志開始一個發(fā)射測量循環(huán)，

19、T0 定時器是用來計(jì)算脈沖往返時間，它們的初值均設(shè)為0。超聲波的接收由接收子程序來執(zhí)行，接收子程序如圖4-2 所示。首先初始化， 其次發(fā)射超聲波，接收端判斷是否有回波，若時間大于30ms仍沒檢測到回波則重新發(fā)射超聲波；若有回波，通過軟件濾波，判斷是否為回波信號，是回波，則讀取時間，繼續(xù)調(diào)用計(jì)算距離子程序，最后顯示出測量的距離。初始化超聲波發(fā)射Y有回波？軟件濾波NN時間 30ms是回波信號？NY顯示特殊字符E讀取時間顯示圖 7-2接收子程序流程圖中斷子程序及流程圖當(dāng)超聲波接收器收到返回的信號會給單片機(jī)一個外部中斷，在程序中定義為外部中斷0，INT0 中斷在程序中的作用是形成中斷進(jìn)行跳轉(zhuǎn)進(jìn)入中斷子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)我在程序設(shè)計(jì)上的思維， 使整個程序符合邏輯設(shè)計(jì)。中斷子程序流程圖如圖4-3 所示。 在程序中應(yīng)注意進(jìn)中斷時變量的保存及出中斷時變量的恢復(fù)。當(dāng)有外部中斷時， 將由硬件置位中斷標(biāo)志寄存器的 EXINTF0 或 EXINTF1 位（ EXINTF0 或 EXINTF1 位由硬件置位，由軟件清零），為避免進(jìn)入中斷死循環(huán)， 必須在退出中斷子程序時用軟件清除該標(biāo)志位。系統(tǒng)在進(jìn)入中斷時會自動關(guān)中斷，之后進(jìn)入處理子程序。接收中斷后，讀取定時器值，設(shè)置標(biāo)志位。關(guān)閉定時器關(guān)閉中斷讀取定時器值設(shè)置標(biāo)志位返回圖 7-3中斷子程序流程圖距離計(jì)算與顯示子程序由于超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T 在某一時刻