傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)1

1、傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)題目超聲波測(cè)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(dòng)化班級(jí) 135100083012502姓名陳康峰 學(xué)號(hào)1351001223255指導(dǎo)教師熊紀(jì)宇完成時(shí)間2014年4月18號(hào)0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

2、. 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(jì)算與顯示子程序 . 12八、設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法 . 13九、參考文獻(xiàn) . 141、課程設(shè)計(jì)目的通過(guò)傳感器及檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)，掌握傳感器及檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。課程設(shè)計(jì)題目：超聲波測(cè)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(cè)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(guò)反射測(cè)量距離。功能：1） LED數(shù)碼管顯示測(cè)量距離，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位（單位：cm）。2）測(cè)量范

3、圍：30c葉200cm,3）誤差v 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)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3）設(shè)計(jì)說(shuō)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(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)， 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(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)， 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲接收波換能器。超聲測(cè)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

4、成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，測(cè)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(guò)測(cè)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d = '.i's2 -（h/2）2。因?yàn)閟h，則d=s, d=s= ct/2。本測(cè)量電路采用第二種方 案。S圖4-1測(cè)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1C,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(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過(guò)對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)姆?/p>

5、法對(duì)傳播速度加以校正。已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度 T時(shí)，超聲波傳播速度 V的計(jì)算公式可近似如下：V=331.5+0.607T這樣，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及現(xiàn)場(chǎng)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(C)-30-20-10010203040聲 速(m/s)3133193253323383443503564五、系統(tǒng)框圖LED顯示電路通信接口單片機(jī)發(fā)射電路接收電路接收收>障礙物5#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(gè)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

6、器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡(jiǎn)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(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示。動(dòng)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(gè)筆劃斷adp同名端連在一起，而每一個(gè)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(shí)，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究 竟是哪個(gè)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(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描

7、就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的 COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺(jué)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(shí)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(huì)有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點(diǎn)亮 LED數(shù)碼管無(wú)位選信號(hào)， 各數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的， 每個(gè)數(shù) 碼管顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時(shí)送給，其原理比較簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)掃描。設(shè)計(jì)的顯示電路采用 4位一體八段

8、共陰極數(shù)碼管顯示，段碼直接由單片機(jī)的P0 口來(lái)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)镻0 口的內(nèi)部無(wú)上拉電阻， 需在外部接上拉電阻； 位碼則通過(guò)4個(gè)NPN型三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)， 同時(shí)接單片機(jī)P2 口。顯示電路如圖 6-1所示。'll圖6-1顯示電路在外圍的鍵盤控制電路中，設(shè)置了四個(gè)獨(dú)立按鍵，分別與單片機(jī)的 P3.4P3.7相連，當(dāng) 按下S1時(shí)，啟動(dòng)超聲波發(fā)射，開(kāi)始測(cè)距；當(dāng)按下S2時(shí)，停止發(fā)射超聲波，即停止測(cè)距；S3為報(bào)警開(kāi)關(guān)，當(dāng)測(cè)量到距離過(guò)近時(shí)，蜂鳴器電路發(fā)出警告，此時(shí)按下S3鍵，即可停止報(bào)警，S4為預(yù)留出來(lái)的按鍵，當(dāng)需要的時(shí)候可以實(shí)行編程控制。電路設(shè)計(jì)如圖6-2所示。*0 04-|圖6-2鍵盤控制電路2、超聲波發(fā)射電

9、路設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射和接收是由超聲波換能器來(lái)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，但是一體式的盲區(qū)問(wèn)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(kāi)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(hào)：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：40.0kHz ± 1.0 kHz輸出電壓： 115dB接收靈敏度：-65dB靜電容量： 2000pF ± 20%指向角：80 

10、6;工作溫度：-20+70 C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，它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)化成高頻機(jī)械振動(dòng)，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(dòng)波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(hào)。40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)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)P1.0端口輸出40 kHz左右的方波

11、脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極；另一路經(jīng)兩級(jí)反相器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)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, 方面可以提高反向器MC14069UB俞出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)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(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波

12、(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(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106,得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的 P3.2(INT0) 引腳，以產(chǎn)生一個(gè)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(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k Q。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(gè)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

13、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(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=4.7 Q , C=3.3 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(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(dòng)大， 易造成誤動(dòng)作， 推薦參數(shù)為3.3卩F。4 腳：接地端。5腳：該腳與電源端 VCC接入一個(gè)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=200kQ時(shí)，f0沁42kHz,若取R=220kQ ,則中心頻率f0沁38kHz=6腳：該腳與GND之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為3

14、30pF,如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。7 腳：遙控命令輸出端,它是集電極開(kāi)路的輸出方式,因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電 阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k Q，沒(méi)有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)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(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(jiǎn)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(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且 CX20106內(nèi)部設(shè)

15、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 3060 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過(guò)程如下：接收 的回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)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(hào)，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(hào)時(shí)，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

16、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MC 51使用的是正邏輯的 TTL電平，為了達(dá)到電平匹配， 在MC 51組成系統(tǒng)板 上的RS口必須經(jīng)電平轉(zhuǎn)化后輸出，可以使用美信MAX232EC芯片，外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要4個(gè)0.1卩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(guò)限流電阻R20后由單片機(jī)的P1.1引腳控制，當(dāng)P1.1輸出低電平時(shí)，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(guò)程序控制P1.1腳的電平來(lái)使蜂鳴器發(fā)

17、出聲音。當(dāng)P1.1輸出高電平時(shí)，三極管截止，沒(méi)有電流通過(guò)線圈，蜂鳴器不發(fā)聲。我們?cè)跍y(cè)距過(guò)程中，當(dāng)與障礙物的距離過(guò)近，蜂鳴器就可以發(fā)出報(bào)警音，起到提示的作用。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(shí)器0中斷程序、顯示子程序、超聲波發(fā)射子程序、延時(shí)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(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器TO工作模式為16位定時(shí)/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(gè)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(shí)0.1ms (這也就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)會(huì)

18、有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后才可打開(kāi)外部中斷 0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是24MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是0.5卩s，所以當(dāng)當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，調(diào)用測(cè)距子程序，即可算得被測(cè)物與測(cè)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(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時(shí)還要進(jìn)行存儲(chǔ)空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計(jì)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(chǎn)生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)則被用來(lái)接收回波。定時(shí)器T1, T0均工作

19、在工作方式1 ,為16位計(jì)數(shù)，T1定時(shí)器被用來(lái)開(kāi)啟一次測(cè)距過(guò)程 以它的溢出為標(biāo)志開(kāi)始一個(gè)發(fā)射測(cè)量循環(huán)，T0定時(shí)器是用來(lái)計(jì)算脈沖往返時(shí)間，它們的初值均設(shè)為0。超聲波的接收由接收子程序來(lái)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(shí)間大于30ms仍沒(méi)檢測(cè)到回波則重新發(fā)射超聲波；若有回波，通過(guò)軟件濾波，判斷是否為回波信號(hào)，是回波，則讀取時(shí)間，繼續(xù)調(diào)用計(jì)算距離子 程序，最后顯示出測(cè)量的距離。1.2中斷子程序及流程圖當(dāng)超聲波接收器收到返回的信號(hào)會(huì)給單片機(jī)一個(gè)外部中斷，在程序中定義為外部中斷0, INTO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(gè)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(shí)變量的保存及出中斷時(shí)變量的恢復(fù)。當(dāng)有外部中斷時(shí)，將由硬件置位中斷標(biāo)志寄存器的EXINTFO或EXINTF1位（EXINTFO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(shí)用軟件清除該標(biāo)志位。系統(tǒng)在進(jìn)入中斷時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)中斷，之后進(jìn)入處理子程序。接收中斷后，讀取定時(shí)器值，設(shè)置標(biāo)志位。圖7-3中斷子程序流程圖1.3距離計(jì)算與顯示子程序由于超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)