傳感器與測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)1

1、傳感器和測試技術(shù)課程設(shè)計(jì)主題超聲波測距系統(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)制造及其自動化第13510008383022級名字陳康峰學(xué)號1351001223255教師熊紀(jì)宇完成時間2014年4月18日目錄一、課程設(shè)計(jì)目的2二、課程設(shè)計(jì)主題2三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求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)框圖圖4六、單元電路設(shè)計(jì)原理41.led顯示電路和鍵盤控制電路設(shè)計(jì)42 .超聲波發(fā)送電路設(shè)計(jì)53 .超聲波接收電路設(shè)計(jì)74 .串行通信和蜂鳴器電路設(shè)計(jì)8七、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試91 .主程序的流程圖101.1發(fā)送順序和接收流程圖101.2中斷子程序和流程圖111.3距離計(jì)算和顯

2、示子例程12八、設(shè)計(jì)中的問題和解決方法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)課程的設(shè)計(jì)，掌握傳感器和檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)原則和相應(yīng)的硬件調(diào)試方法。 進(jìn)一步理解傳感器和檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。二、課程設(shè)計(jì)主題：超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)三、課程的設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求1 .設(shè)計(jì)內(nèi)容使用40KHz的超聲波發(fā)送和接收傳感器測量了距離。 可以使用發(fā)射器和接收器之間的距離，或者發(fā)射器與接收器可以并行地通過反射器來測量距離。功能：1)LED編碼管顯示測量距離，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位(單位： cm )。2 )測量范圍： 30cm200cm3 )誤差0.5厘米。4 )其他。2 .設(shè)計(jì)要求1 )掌握傳感器的工作

3、原理和相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。2 )獨(dú)立設(shè)計(jì)電路圖和相應(yīng)的硬件電路。3 )設(shè)計(jì)說明書的格式規(guī)范，水平合理，重點(diǎn)突出。 附上詳細(xì)的電路圖四、傳感器的工作原理超聲波發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是兩個壓電晶片和一個共振板。 如果對其兩極施加脈沖信號，其頻率與壓電晶片的固有振動頻率相等，則壓電晶片諧振，使共振板振動，產(chǎn)生超聲波。 相反，如果兩電極間沒有施加電壓，則諧振板接收超聲波時，壓迫壓電晶片而振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，成為超聲波接收波換能器。 在超聲波測距中，取輸出脈沖的平均值電壓，其電壓(其振幅幾乎一定)與距離成比例，有通過測定電壓可以測定距離的方法測定輸出脈沖的寬度，即測定發(fā)送超聲波的時間和接收超聲波的

4、時間的間隔t，測距原理如圖2-1所示，距離式為s=ct/2，這里通過測量發(fā)射器和接收設(shè)備之間的距離h，可以利用直角三角形確定。 由于sh，因此d=s，d=s=ct/2。 本測量電路采用第二方式。目標(biāo)h德. ds圖4-1測距原理圖在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度為334米/秒，但其傳播速度v容易受到空氣中的溫度、濕度、壓力等的影響，其中溫度的影響大，例如溫度每上升1，聲速就增加約0.6米/秒。 音速和溫度的關(guān)系如表4-2所示。 因此，在要求測距精度時，有必要用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉硇Ｕ齻鞑ニ俣取?知道現(xiàn)場環(huán)境溫度t后，超聲波傳播速度v的計(jì)算式可以如下近似V=331.5 0.607T這樣，如果測定超聲波

5、發(fā)送和回波接收的時間差t和現(xiàn)場環(huán)境溫度t，就能正確地計(jì)算從發(fā)送點(diǎn)到障礙物的距離。表4-2音速和溫度的關(guān)系表：溫度()-30-20-10010203040音速(米/秒)313319325332338344350356五、系統(tǒng)框圖六、單元電路設(shè)計(jì)原理1.led顯示電路和鍵盤控制電路設(shè)計(jì)顯示器是典型的輸出設(shè)備，其應(yīng)用非常廣泛，并且大多數(shù)電子產(chǎn)品必須使用顯示器，其差異僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型。 最簡單直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，但接受復(fù)雜教育的顯示器必須是CRT顯示器或屏幕大的LCD面板。 綜合課題的實(shí)際要求是，只顯示距障礙物的距離，因此選擇LED數(shù)字管，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)顯示。動態(tài)掃描顯示接口是

6、單片機(jī)中使用最廣泛的顯示方式之一。 其接口電路用adp同名的端部連接所有顯示器的8個筆劃，各顯示器的公共電極COM分別由I/O線控制。 CPU向現(xiàn)場輸出端口發(fā)送字體代碼后，所有顯示器都接收相同的字體代碼，但哪個顯示器點(diǎn)亮取決于COM端，其中一端由I/O控制，所以可以自己決定什么時候顯示哪個顯示器。 動態(tài)掃描是指以分時方式依次控制各顯示器的COM側(cè)，并依次點(diǎn)亮各顯示器。 在依次點(diǎn)亮期間，各顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極短(約1ms )，但由于人的視覺上的暫時現(xiàn)象和發(fā)光二極管的殘光效果，實(shí)際上各顯示器并不是人同時點(diǎn)亮，但僅是掃描速度足夠快，而穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)集采用靜態(tài)掃描方式使LED點(diǎn)亮的數(shù)字碼管沒有位置選擇信

7、號，各數(shù)字碼管同時點(diǎn)亮，針對每個數(shù)字碼管顯示的行程信息也分支并同時發(fā)送，其原理比較簡單。 靜態(tài)掃描顯示很容易編程，顯示清晰，亮度一般很高，但是需要增設(shè)很多I/O連接器和很多硬件芯片，成本很高。 因此，我采用了動態(tài)掃描。所設(shè)計(jì)的顯示電路使用4位一體的8級共陰極數(shù)字編碼管顯示，段編碼由直接單片機(jī)的P0口驅(qū)動。 P0口的內(nèi)部沒有上拉電阻，所以需要在外部連接上拉電阻的位代碼由4個NPN型晶體管驅(qū)動，同時連接單片機(jī)的P2端口。 顯示電路如圖6-1所示。圖6-1顯示電路周邊的鍵盤控制電路設(shè)置有4個獨(dú)立的按鈕，分別與單片機(jī)的P3.4P3.7連接，按下S1時，啟動超聲波發(fā)送，按下開始測距的S2時，停止超聲波發(fā)

8、送，即停止測距的S3是報(bào)警開關(guān)距離太近時蜂鳴器電路會發(fā)出警告，此時按S3鍵停止警報(bào)，S4是預(yù)約的鍵，可以根據(jù)需要執(zhí)行程序控制。 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)送電路設(shè)計(jì)超聲波的收發(fā)是由超聲波換能器進(jìn)行的、所謂的我們的通稱探測器。 雖然超聲波的發(fā)送和接收是一體的或者獨(dú)立的，但是一體的死角問題很嚴(yán)重，所以這次的設(shè)計(jì)將發(fā)送和接收探頭分離，具體來說采用超聲波發(fā)送換能器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)送/r-接收l外徑：-16表示16mml外殼材料

9、：鋁l盒色：銀色具體參數(shù)：l中心頻率： 40.0kHz1.0 kHzl輸出電壓： 115dBl接收靈敏度： -65dBl靜電容量： 2000pF20%l指向角： 80l工作溫度： -20 70超聲波探頭根據(jù)其工作原理分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，在壓電式中最常用。 壓電型超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，利用壓電材料的壓電效應(yīng)工作：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波，可以作為發(fā)射探頭，利用正壓電效應(yīng)將超聲波振動波轉(zhuǎn)換成電信號，作為接收頭超聲波發(fā)送電路是為了使超聲波發(fā)送換能器TCT40-16BT能夠向外部發(fā)送40 kHz左右的方波脈沖信號。 在40 kHz左右的方波

10、脈沖信號的產(chǎn)生中，通常采用硬件，例如555振動產(chǎn)生，用軟件，例如單片機(jī)編程輸出，或本系統(tǒng)采用后者。 程序從單片機(jī)的P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，由于從單片機(jī)的端口輸出不足，故40 kHz方波脈沖信號被分成2個，經(jīng)過一級逆變器輸出到超聲波換能器的一個電極上以該推挽形式向超聲波換能器的兩端施加方波信號，實(shí)際上構(gòu)成橋接電路，如圖3-4所示，除了輸出端的上拉電阻R3、R4之外，還可以提高反相器MC14069UB的高電平驅(qū)動能力發(fā)送電路如圖6-3所示。圖6-3超聲波發(fā)送電路3 .超聲波接收電路設(shè)計(jì)在從上述TCT40-16BT發(fā)射的空氣中傳播的話，會遇到障礙物而返回。 超聲波接收部通過超

11、聲波接收換能器TCT40-16BR順利地接收反射波(回波)，變換為電信號，對該電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，使用索尼公司制的集成芯片CX20106，進(jìn)行單片機(jī)CX20l06A是索尼制造的紅外線接收芯片，也能夠應(yīng)用于超聲波接收。 單列8針腳在線方式，采用超小型封裝。 5V供電。CX20l06A的管腳注釋如下所示1足：超聲波信號輸入端，該足的輸入阻抗約為40k 。兩只腳：該腳與GND連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一部分，可以通過改變它們的數(shù)值來改變前置放大器的增益和頻率特性。 如果增大電阻r或減小c，則負(fù)反饋量變大，放大率下降，相反放大率變大。 但是，c的變化影響頻率特性，一般而言不需

12、要在實(shí)際使用中變更，推薦選擇參數(shù)為R=4.7 、C=3.3 F。3足：在該腳和GND之間連接檢波電容，電容以平均值進(jìn)行檢波，如果瞬間靈敏度低的電容小，則成為峰值檢波，雖然瞬間靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，容易誤動作，因此推薦參數(shù)為3.3 F。四腳：接地端子。5腳：該腳在電源端子VCC上接通電阻，設(shè)定帶通濾波器的中心頻率fn，電阻值越大，中心頻率越低。 例如，當(dāng)R=200k時，設(shè)為f042kHz，當(dāng)R=220k時，設(shè)為中心頻率f038kHz。六條腿：這條腿和GND之間有積分電容，基準(zhǔn)值為330pF，該電容過大的話，檢測距離就會變短。7腳：遙控器指令的輸出端子是集電極開路的輸出方式，因此該

13、端子必須在電源端子上連接上拉電阻。 該電阻的推薦電阻值為22k ，在沒有接收信號的情況下該端子的輸出為高電平，在有信號的情況下降低。8腳：加電源，4.5V5V。接收部分的電路在圖6-4中示出。圖6-4超聲波接收電路可以看出，集成芯片CX20106在接收部分的電路中起到很大的作用。 CX20106是應(yīng)用廣泛的紅外線檢測接收的專用芯片，也適用于超聲波，具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)異、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。 因?yàn)榧t外線遙控器常用的載波頻率38 kHz和測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，所以設(shè)置在CX20106內(nèi)部的濾波器中心頻率f0可以用其5腳的外置電阻調(diào)節(jié)，電阻值越大中心頻率越低，范圍為3060

14、kHz。 這次設(shè)計(jì)中將其作為接收電路。 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、整形電路構(gòu)成。 在操作過程中，接收到的回波信號通過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)節(jié)為適當(dāng)振幅的矩形脈沖，用濾波器進(jìn)行頻率選擇，去除噪聲信號，并整形后發(fā)送給輸出端子7腳。 當(dāng)接收到與CX20106濾波器的中心頻率一致的回波信號時，其輸出端子7腳輸出低電平，輸出端子7腳被直接連接到SST89E564的INT0端子，以觸發(fā)中斷。 如果頻率有一些誤差，只要調(diào)節(jié)芯片引腳5的外置電阻R7，將濾波器的中心頻率設(shè)定為40 kHz，就能獲得理想的效果。4 .串行通信和蜂鳴器電路設(shè)計(jì)因?yàn)镸CS-51使

15、用正邏輯的TTL電平，所以為了實(shí)現(xiàn)電平匹配，MCS-51可以使用美國信號MAX232ECA芯片，其中在系統(tǒng)板上的RS端口必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和輸出，并且外圍電路非常簡單，0.1F圖6-5串行通信電路如圖6-6所示，蜂鳴器的正極與VCC(5v )電源連接，蜂鳴器的負(fù)極與晶體管的集電極連接，晶體管的基極通過限流電阻R20由單片機(jī)的P1.1管腳控制，當(dāng)P1.1輸出低電平時因此，通過用程序控制P1.1腳的電平，就能發(fā)出蜂鳴器。 P1.1輸出高電平時，晶體管關(guān)閉，線圈不流過電流，蜂鳴器不響。 我們在測距中，如果和障礙物距離太近，蜂鳴器會發(fā)出警報(bào)音，起到提示的作用。圖6-6蜂鳴器電路七、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)

16、軟件設(shè)計(jì)采用模塊設(shè)計(jì)，主要包括中斷主程序、入口程序、計(jì)時器0中斷程序、顯示子程序、超聲波發(fā)送子程序、延遲子程序、距離計(jì)算子程序、警報(bào)子程序設(shè)計(jì)等。1 .主程序的流程圖主程序首先初始化系統(tǒng)環(huán)境，將計(jì)時器T0的操作模式設(shè)置為16位定時/計(jì)數(shù)器模式，位置總是中斷許可位EA，清除計(jì)數(shù)器，然后調(diào)用超聲波產(chǎn)生子程序發(fā)送超聲波脈沖。 為了避免超聲波從發(fā)射機(jī)直接傳遞到接收機(jī)而產(chǎn)生的直接放射波，在打開外部中斷0接收的超聲波信號之前，需要延遲0.1ms (超聲波測距系統(tǒng)有最小可測量距離的原因)。 由于采用了24MHz的水晶振子，所以每一個計(jì)數(shù)器的數(shù)量為0.5s，主程序檢測出接收成功的標(biāo)志位后，調(diào)用測距子例程，就能計(jì)算被測量物和測距器之間的距離，最后在LED上顯示的主程序的流程圖圖7-1主程序的流程圖1.1發(fā)送順序和接收流程圖系統(tǒng)軟件必須分配和使用內(nèi)存空間、寄存器、計(jì)時器和外部中斷引腳，同時考慮到相