傳感器與測試技術課程設計陳進

1、人才培養(yǎng)模式改革和開放教育試點畢業(yè)設計（論文）   安徽廣播電視大學 畢業(yè)設計(論文)   課題名稱 傳感器與測試技術課程設計 分校名稱 馬鞍山電視（網絡）大學 年級名稱 2013 秋 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化。學生姓名 陳進 ，指導教師 謝婷 ， 2015 年 12 月 1 日目錄一、課程設計目的2二、課程設計題目2三、課程設計內容及要求21、設計內容22、設計要求2四、傳感器工作原理2五、系統(tǒng)框圖3六、單元電路設計原理41、LED顯示電路與鍵盤控制電路設計42、超聲波發(fā)射電路設計53、超聲波接收電路設計

2、74 、串口通信與蜂鳴器電路設計8七、 軟件設計與系統(tǒng)調試91、 主程序流程圖101.1發(fā)射程序與接收流程圖101.2 中斷子程序及流程圖111.3 距離計算與顯示子程序12八、設計中的問題及解決方法13九、總結13十、參考文獻15一、 課程設計目的 通過傳感器及檢測技術課程設計，掌握傳感器及檢測系統(tǒng)設計的方法和設計原則及相應的硬件調試的方法。進一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設計和應用。 二、課程設計題目超聲波測距系統(tǒng)設計三、課程設計內容及要求1、設計內容采用40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離?？刹捎冒l(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數碼

3、管顯示測量距離，精確到小數點后一位（單位：cm）。 2）測量范圍：30cm200cm，3）誤差0.5cm。 4）其它。2、設計要求1）掌握傳感器的工作原理及相應的輔助電路設計方法。2）獨立設計原理圖及相應的硬件電路。3）設計說明書格式規(guī)范，層次合理，重點突出。并附上詳細的原理圖四、傳感器工作原理超聲波發(fā)生器內部結構有兩個壓電晶片和一個共振板。當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，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲接收波換能器。超聲測距大致有以下方法

4、： 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，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。因為sh，則d=s，d=s= ct/2。本測量電路采用第二種方案。 目標hdS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。聲速與溫度關系如表4-2所示。因此在測距精度要求很高的情況下，應

5、通過對溫度補償的方法對傳播速度加以校正。已知現場環(huán)境溫度T時，超聲波傳播速度V的計算公式可近似如下：V=331.5+0.607T這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t以及現場環(huán)境溫度T，就可以精確計算出發(fā)射點到障礙物之間的距離。表4-2聲速與溫度關系表：溫度（）-30-20-10010203040聲速（m/s）313319325332338344350356五、系統(tǒng)框圖六、單元電路設計原理 1、LED顯示電路與鍵盤控制電路設計顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單最直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二

6、極管，而復雜的教完整的顯示器應該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實際要求，由于只需顯示距障礙物的距離，因此選用LED數碼管，通過單片機編程實現顯示。 動態(tài)掃描顯示接口是單片機中應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adp同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立的受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

7、亮。在輪流點亮過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非人同時點亮，但只是掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數據，不會有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點亮LED數碼管無位選信號，各數碼管是同時點亮的，每個數碼管顯示數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。設計的顯示電路采用4位一體八段共陰極數碼管顯示，段碼直接由單片機的P0口來驅動，因為P0口的內部無上拉電阻，需在外部接上

8、拉電阻；位碼則通過4個NPN型三極管來驅動，同時接單片機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，設置了四個獨立按鍵，分別與單片機的P3.4P3.7相連，當按下S1時，啟動超聲波發(fā)射，開始測距；當按下S2時，停止發(fā)射超聲波，即停止測距；S3為報警開關，當測量到距離過近時，蜂鳴器電路發(fā)出警告，此時按下S3鍵，即可停止報警，S4為預留出來的按鍵，當需要的時候可以實行編程控制。電路設計如圖6-2所示。圖6-2 鍵盤控制電路2、超聲波發(fā)射電路設計超聲波的發(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立式的，但是一體式的盲區(qū)

9、問題比較嚴重，所以本次設計選擇發(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：l 型號：TCT40-16BT或（R）l 類別：TC壓電陶瓷超聲波傳感器；T通用性；T發(fā)射/R接收l 外徑：16代表16mml 外殼材料：鋁l 外殼顏色：銀色具體參數：l 中心頻率：40.0kHz±1.0 kHzl 輸出電壓: 115dBl 接收靈敏度：-65dBl 靜電容量：2000pF±20%l 指向角：80°l 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。

10、壓電型超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉化成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超聲振動波轉化為電信號，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生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號分成兩路，一路經一級反相器后送到超聲波換能器的

11、一個電極；另一路經兩級反相器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，實際上構成了一個橋式電路，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、超聲波接收電路設計上述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進行轉換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里

12、用索尼公司生產的集成芯片CX20106，得到一個負脈沖送給單片機的P3.2(INT0)引腳，以產生一個中斷。CX20l06A是日本索尼公司生產的紅外接收芯片，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)網絡，它們是負反饋串聯(lián)網絡的一個組成部分，改變它們的數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，將使負反饋量增大，放大倍數下降，反之則放大倍數增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數為R=4.7 ，C=3.3

13、F。3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數為3.3 F。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設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，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳： 該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為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22k ，沒有接

14、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，4.5V5V。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、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，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內部設置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060 kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波

15、器、積分器及整形電路構成。工作過程如下：接收的回波信號先經過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經整形，送給輸出端7腳。當接收到與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，可調節(jié)芯片引腳5的外接電阻R7，將濾波器的中心頻率設置在40 kHz，就可達到理想的效果。4 、串口通信與蜂鳴器電路設計由于MCS51使用的是正邏輯的TTL電平，為了達到電平匹配，在MCS51組成系統(tǒng)板上的RS口必須經電平轉化后輸出，可以使用美信MAX2

16、32ECA芯片，外圍電路非常簡單，只需要4個0.1F的電容器，可以實現與計算機的通信，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，蜂鳴器的負極接到三極管的集電極，三極管的基極經過限流電阻R20后由單片機的P1.1引腳控制，當P1.1輸出低電平時，三極管導通，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P1.1腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音。當P1.1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，當與障礙物的距離過近，蜂鳴器就可以發(fā)出報警音，起到提示的作用。圖6-6 蜂鳴器電路七、 軟件設計與系統(tǒng)

17、調試系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計，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、距離計算子程序和報警子程序設計等。1、 主程序流程圖主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時/計數器模式，置位總中斷允許位EA并清計數器，然后調用超聲波發(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0.1ms（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，計數器每計一個數就是0.5s，所以當當主程序檢測到接收成功的標志位后，調用測距子

18、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。圖7-1 主程序流程圖1.1發(fā)射程序與接收流程圖系統(tǒng)軟件編制時應考慮相關硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。本設計中P1.0引腳連接到推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，P1.0引腳輸出的將是軟件方式產生的40 kHz方波，而P3.2(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位計數，T1定時器被用來開啟一次測距過程以它的溢出為標志開始一個發(fā)射測量循環(huán)，T0定時器是用來計算脈沖往返時間，它們的初值均設為0。超聲波的接收由接收子程序來執(zhí)行

19、，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)調用計算距離子程序，最后顯示出測量的距離。圖7-2 接收子程序流程圖1.2 中斷子程序及流程圖當超聲波接收器收到返回的信號會給單片機一個外部中斷，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行跳轉進入中斷子程序，能夠實現我在程序設計上的思維，使整個程序符合邏輯設計。中斷子程序流程圖如圖4-3所示。在程序中應注意進中斷時變量的保存及出中斷時變量的恢復。當有外部中斷時，將由硬件置位中斷

20、標志寄存器的 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志位。系統(tǒng)在進入中斷時會自動關中斷，之后進入處理子程序。接收中斷后，讀取定時器值，設置標志位。關閉定時器關閉中斷讀取定時器值設置標志位返回圖7-3 中斷子程序流程圖1.3 距離計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在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電

21、路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。開始取數據軟件譯碼（查表）送位選數據到P0送段選數據到P2顯示圖7-4 顯示流程圖八、設計中的問題及解決方法在這次的設計后我了解到，無接觸測量在當今的社會發(fā)展當中已經變得十分重要，而超聲波作為非接觸測量的一種方法，已經在很多領域得到應用。盡管本設計成功完成，但其中仍然存在著很大的改進空間。系統(tǒng)中仍有可以提高的方面，如考慮進去溫度補償的問題，以及提