測(cè)控課程設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時(shí)間住的許多不可預(yù)見(jiàn)因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來(lái)改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來(lái)了困擾，因此箱涵的排污疏通對(duì)大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計(jì)研制箱涵排水疏通移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距儀的研制。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為

2、核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控。一、超聲波傳感器測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)原理：超聲波是指頻率高于200HZ的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波

3、和接受超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，超聲波傳感器具有發(fā)送和接受器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在接收回波的時(shí)候，將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。其系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。圖2-1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，在乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源到障礙物間的距離。由于超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較

4、方便，計(jì)算處理也比較簡(jiǎn)單，而且在精度方面也能達(dá)到要求。超聲波測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)

5、實(shí)用的要求。測(cè)距離的方法有很多種，短距離可以用尺，遠(yuǎn)距離可以用激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)的空氣中的傳播速度為331.45M/S，由單片機(jī)負(fù)責(zé)記時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以次系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對(duì)應(yīng)值如表2-1 ，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t (見(jiàn)圖2-2)，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離( s ) ，即: s = v t / 2 。表2-1 聲速與溫度的關(guān)系溫度()3020100102030100聲速(m/s)313319325323338344349386圖2-2 超聲波測(cè)距時(shí)序圖2、超聲波傳感器

6、（1）超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器是一種用于產(chǎn)生并向超聲換能器提供超聲能量使之工作于諧振頻率的裝置，根據(jù)其激勵(lì)方式可以分為兩種：一種是他激式，一種是自激式。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。（2）壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-3所示它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板當(dāng)他的兩極外加脈沖信號(hào)，器頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(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)，將壓迫壓電晶片作共振，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化

7、成電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受器了。圖2-3 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（3）單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成單片機(jī)控制系統(tǒng)以AT89S51為核心，發(fā)出40KHZ左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為了使測(cè)量距離達(dá)到要求，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，內(nèi)部計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)讀出時(shí)間t，由系統(tǒng)軟件對(duì)其計(jì)算分析后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果送至LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。開(kāi)始測(cè)量超聲波信號(hào)開(kāi)定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測(cè)電聲換能器電聲換能器驅(qū)動(dòng)電路圖2-4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖3、設(shè)計(jì)方案根據(jù)本系統(tǒng)的功能需求，初步確定設(shè)

8、計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。根據(jù)設(shè)計(jì)要求決定采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)值顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距系統(tǒng)超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機(jī)控制系統(tǒng)（AT89S51）顯示模塊鍵盤(pán)模塊供電單元設(shè)計(jì)如圖2-5。圖2-5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖（1）AT89S51單片機(jī)AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes ISP的可以反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序儲(chǔ)存器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性儲(chǔ)存技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)M

9、CS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和IPS Flash存儲(chǔ)單位，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。（2）超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。采用AT89S51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接受芯片和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)P1.0引腳經(jīng)反向器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)TNT0引腳，當(dāng)TNT0引腳的電平變?yōu)榈推綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算可以得到傳感器與障礙物之間的距離。軟件部分包括主程序，超

10、聲波發(fā)生子程序，超聲波中斷子程序以及顯示子程序。1）供電電路本測(cè)距系統(tǒng)的工作電流約為30-45mA，采用LED數(shù)字顯示，為了保證系統(tǒng)的正常工作供電電壓為交流6-9V同時(shí)為了系統(tǒng)的調(diào)試方便我們采用了用USB口直接用電腦供電，6V交流電流經(jīng)過(guò)二極管整流成脈動(dòng)直流后經(jīng)濾波電容C1慮波后形成直流電，為保證單片機(jī)系統(tǒng)的可電，供電路中由5伏的三端稱壓集成電路進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出5伏的真流電供整個(gè)系統(tǒng)用電，為進(jìn)一步提高電源質(zhì)量，5伏的直流電再次經(jīng)過(guò)C3、C4濾波。圖2-6 供電電路圖2）超聲波發(fā)射、接收電路超聲波發(fā)射如圖2-7，接收電路如圖2-8。利用壓電晶體諧振工作，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它

11、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率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這是它就是一超聲波發(fā)生器，如沒(méi)加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波是，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這是它就成為了超聲波接收轉(zhuǎn)換器。接受換能器晶片接受到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因?yàn)閴弘娦?yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微笑奧交變電壓信號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。接收電路的任務(wù)是將這一微小的交變電壓信號(hào)充分凡達(dá)，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)的干擾信號(hào)，放大同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定收到信號(hào)的時(shí)刻。圖2-7 超聲波測(cè)距發(fā)送電路

12、圖圖2-8超聲波測(cè)距接收電路圖3）顯示電路本系統(tǒng)采用三位一體LED 數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值，如圖2-9。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。圖2-9 顯示電路圖4）超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)主要由：AT89S51單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。由K1，K2組成測(cè)距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設(shè)定超聲波測(cè)距報(bào)警值。如圖2-10。圖2-10 超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)AT89S51單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)原程序#include <REGX51.H>#inclu

13、de <intrins.h> #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define k1 P3_7 /k1功能鍵#define k2 P3_6 /k2數(shù)值調(diào)整鍵#define csbout P2_7 /超聲波發(fā)送#define csbint P3_5 /超聲波接收uchar ec,cls,cs,xl,xm0,xm1,xm2,sec20,sec,sec1,buffer3,BitCounter,temp,Number8=1,2,3,4,5,6,7,8; uchar temp1,convert10= 0x3F,0x06,

14、0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07,0x7F, 0x6F, ;/09段碼uint zzz,dz,zzbl,i,jsz,yzsj,kk,s,ss;static uchar bdata ke,kw; /可位尋址的狀態(tài)寄存器float csbc,wdz;sbit LED1 = P34; /數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)sbit LED2 = P32; /數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)sbit LED3 = P33;/數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)sbit k11=ke0;sbit k12=ke1;sbit k22=ke2;sbit k21=ke3;sbit b=ke4;sbit c=ke5;sbit d=ke6;sbi

15、t e=ke7;sbit w=kw0;sbit zj1=kw1;sbit zj2=kw2;void delay(i); /延時(shí)函數(shù)void scanLED();/顯示函數(shù)void timeToBuffer(); /顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)void time();void jpcl();void wdzh();void jpzcx();void csbfs();void csbsc();void offmsd();void main()EA=1; /開(kāi)中斷 TMOD=0x11; /設(shè)定時(shí)器0為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器1定時(shí)ET0=1; /定時(shí)器0中斷允許 TH0=0xD8; TL0=0xF0;/設(shè)定時(shí)值為20000u

16、s（20ms）TR0=1;csbout=1;d=0;TR1=0; temp1=15;zzz=699;dz=100;cls=5;xl=temp1;csbsc();k12=1;k1=1;k2=1;k22=1;d=1;while(1) if (ec=1) ec=0;wdzh(); /調(diào)用超聲波測(cè)量 timeToBuffer(); /調(diào)用轉(zhuǎn)換段碼功能模塊offmsd(); /調(diào)用顯示轉(zhuǎn)換程序 scanLED(); /調(diào)用顯示函數(shù)jpcl(); /調(diào)用按鍵處理程序void delay(i) /延時(shí)子程序 while(-i);void scanLED() /顯示功能模塊 P2=buffer2; LED1=

17、0; delay(1);LED1=1; delay(50);P2=buffer1;LED2=0; delay(1);LED2=1; delay(50);P2=buffer0;LED3=0; delay(1);LED3=1; delay(50); void timeToBuffer() /轉(zhuǎn)換段碼功能模塊 if (jsz>zzz) buffer0=0x93;buffer1=0x93;buffer2=0x93; else xm0=jsz/100;xm1=(jsz-xm0*100)/10;xm2=jsz-xm0*100-xm1*10;buffer0=convertxm2;buffer1=con

18、vertxm1;buffer2=convertxm0;if (buffer2=0x81) buffer2=0xFF; void KeyAndDis_Time0(void) interrupt 1 using 1/定時(shí)器0中斷外理,鍵掃描和顯示 TR0=0; TH0=0xD8; TL0=0xF0; TR0=1; time(); void time () /計(jì)時(shí)處理模塊 sec20+; if (sec20>=cs) / 50 * 10 ms = 0.5 s sec20=0; ec+; e=e; if (ec>3) ec=0; sec1+;if (sec1>100) sec1=0;

19、 sec+; /秒計(jì)時(shí) if (sec>=3) sec=0; void jpcl() /按鍵處理程序k11=k1;if (!k12&&k11) b=1; k12=k11; k11=k1; k21=k2;if (b=1) while(b) buffer0=0x84;buffer1=0x84;buffer2=0x84;sec=0; c=0;while(!c) if (sec>=2)c=1; scanLED();c=0; zzbl=jsz; jsz=dz;timeToBuffer();jpzcx(); dz=kk; if (dz>699) dz=200;if (dz

20、<35)dz=35;jsz=zzbl; buffer1=convertxm2; void jpzcx() /按鍵子程序while(!c) k11=k1; scanLED();if (!k12&&k11) c=1; k12=k11;c=0;while(!c) k11=k1; k21=k2; if (!k22&k21) xm0+; if (xm0>6) xm0=0; if (e=1)buffer2=0xFF;else buffer2=convertxm0;scanLED();if (!k12&&k11) c=1; k22=k21; k12=k11; buffer2=convertxm0; c=0;while(!c) k11=k1; k21=k