《2022年计算机控制课程设计方案超声波测距仪.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年计算机控制课程设计方案超声波测距仪.docx（46页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用目 录绪论 2 I.1课题设计的目的及其意义 计2I.2超声波测距仪的设思路 和3I.3课题设计的任务要求 统方案设计与4第1章课题的论证 设 5整体方案的1.1系计 .2系统整方案的51体论证 2章系统的件结构5第硬设计 6 名师归纳总结 2.1单片机的功能特点及测距原第 1 页,共 28 页理 6 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2.2个人资料整理仅限学习使用射电超声波发路 .声检测接收823超波电路 .43超声波测距单机最小系统9 2片设计 1 0 第章系统软件的设计
2、1法13.1超声波测距仪的算设计 113.2主程序流程图 1 23 . 3 超 声 波 发 生 子 程 序 与 超 声 波 接 受 中 断 程序 1 4 第 4 章 系 统 的 软 硬 件 的 调试 15总名师归纳总结 结 1 8第 2 页,共 28 页参考文- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用献 1 9附录 A 超声波测距电路原理图 附录 B 程序清单绪 论.1 课题设计目的及意义.1.1 设计的目的随着科学技术的快速进展,超声波将在测距仪中的应用越来越广；但就目 前技术水平来说,人们可以详细利用的测距技术仍特别有限,因此,这
3、是一个正 在蓬勃进展而又有无限前景的技术及产业领域；展望将来,超声波测距仪作为一 种新型的特别重要有用的工具在各方面都将有很大的进展空间,它将朝着更加高 定位高精度的方向进展,以满意日益进展的社会需求,如声纳的进展趋势基本 为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳,以满意水中武器实施全隐藏攻击的 需要；连续进展采纳低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳,实现超远程的被动探 测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳,特殊是解决浅海水中目标识别问 题；大力降低潜艇自噪声,改善潜艇声纳的工作环境；无庸置疑,将来的超声波 测距仪将与自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪；随 着测距仪的技术进
4、步,测距仪将从具有单纯判定功能进展到具有学习功能,最终 进展到具有制造力；在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用；.1.2 设计的意义随着科技的进展,人们生活水平的提高,城市进展建设加快,城市给排水系名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用统也有较大进展,其状况不断改善；但是,由于历史缘由合成时间住的很多不行 预见因素,城市给排水系统,特殊是排水系统往往落后于城市建设；因此,常常 显现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象；城市污水给人们带来了 困扰,因此箱涵的排污疏通对大城市给排
5、水系统污水处理,人们生活舒服显得非 常重要；而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动掌握系统,保证机器人在箱 涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分；掌握系统核 心部分就是超声波测距仪的研制；因此,设计好的超声波测距仪就显得特别重要 了；这就是我设计超声波测距仪的意义；.2 超声波测距仪的设计思路.2.1 超声波测距原理 1 ,2发射器发出的超声波以速度 在空气中传播,在到达被测物体时被反射返回,由接收器接收,其来回时间为t ,由 s=vt/2即可算出被测物体的距离；由于超声波也是一种声波,其声速v 与温度有关,下表列出了几种不同温度下的声速；在使用时,假如温度变化不大,就可
6、认为声速是基本不变的；假如 测距精度要求很高,就应通过温度补偿的方法加以校正；表 1-1 超声波波速与温度的关系表温度 ）-30 -20 -10 0 10 20 30 100 声 速 . 明白超声波测距原理；2. 依据超声波测距原理,设计超声波测距器的硬件结构电路；设计一超声波测距仪,要求：1. 设计出超声波测距仪的硬件结构电路；2. 对设计的电路进行分析能够产生超声波,实现超声波的发送与接收,从而实现利用超声波方法测量物体间的距离；3. 对设计的电路进行分析；4. 以数字的形式显示测量距离；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - -
7、- - - 个人资料整理 仅限学习使用第 1 章 课程的方案设计与论证1.1 系统整体方案的设计由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超 声波常常用于距离的测量；利用超声波检测距离,设计比较便利,运算处理也较 简 单 , 并 且 在 测 量 精 度 方 面 也 能 达 到 农 业 生 产 等 自 动 化 的 使 用 要 求 ；超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械 方式产生超声波；电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨 和气流旋笛等；它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同,因而 用途也各不相同；目前在近距离测量方
8、面常用的是压电式超声波换能器；依据设计要求并综合各方面因素,本文采纳AT89C51 单片机作为掌握器,用动态扫描法实 现LED数 字 显 示 , 超 声 波 驱 动 信 号 用 单 片 机 的 定 时 器 ；1.2 系统整体方案的论证名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,依据超声波传播的时间来计 算出传播距离；有用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收 的 反 射 波
9、方 式 , 适 用 于 测 距 仪 ； 此 次 设 计 采 用 反 射 波 方 式 ；测距仪的辨论率取决于对超声波传感器的挑选；超声波传感器是一种采纳压电效 应的传感器,常用的材料是压电陶瓷；由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减,衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高辨论率也高,故短距离测量时应 挑选频率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器；第2章 系统的硬件结构设计2.1 51系列单片机的功能特点及测距原理硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分；单片机采纳AT89C51或其兼容系列；采纳12MHz高精度的晶振,以获得较稳固时钟频率,减
10、小测量误差；单片机用P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号,利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号；显示电路采纳简洁有用的 4 位共阳 LED数码管,段码用 74LS244驱动,位码用 PNP三极管 8550 驱动；2.1.1 51系列单片机的功能特点5l 系列单片机中典型芯片 AT89C51采纳 40 引脚双列直插封装 DIP形式,内部由 CPU,4kB 的 ROM,256 B 的 RAM,2 个 16b 的定时计数器 TO和 T1,4 个8 b 的工 O 端 I ：IP0,P1,P2,P3,一个全双功串行通信口等组成；特殊是该名师归纳总结 - - - -
11、- - -第 7 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 系列单片机片内的个人资料整理仅限学习使用Flash 可编程、可擦除只读储备器EPROM,使其在实际中有着特别广泛的用途,在便携式、省电及特殊信息储存的仪器和系统中更为有用；该系列单片机引脚与封装如图 2-1 所示；图 2-1 89C52 原理图5l 系列单片机供应以下功能：4 kB 储备器； 256 BRAM；32 条工 O线；2 个 16b定时计数器； 5 个 2 级中断源； 1 个全双向的串行口以准时钟电路；闲暇方式： CPU停止工作,而让 作；RAM、定时计数器、串行口和中断系统连续工掉电方式：储存 RA
12、M的内容,振荡器停振,禁止芯片全部的其他功能直到下一次 硬件复位；5l 系列单片机为很多掌握供应了高度敏捷和低成本的解决方法；充分利用他的片 内资源,即可在较少外围电路的情形下构胜利能完善的超声波测距系统；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用2.1.2 单片机实现测距原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测动身射和接收回波的时间差tr ,然后求出距离SCt2,式中的 C为超声波波速；限制该系统的最大可测距离存在4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、反
13、射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度；接收换能器对声波脉冲的直接接 收才能将打算最小的可测距离；为了增加所测量的掩盖范畴、减小测量误差,可采纳多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法；由于超声波 属于声波范畴,其波速 C与温度有关；2.2 超声波发射电路超声波发射电路原理图如图2-2 所示；发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器 T 构成,单片机 P1.0 端口输出的 40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后送到超声波换能 器的另一个电极,用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端,可以提精湛声波的发射强度；输出
14、端采两个反向器并联,用以提高驱动才能；上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动才能,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼成效,缩短其自由振荡时间；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图2-2 超声波发射电路原理图压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的；超声波换能器内部 有两个压电晶片和一个换能板；当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片 的固有振荡频率时,压电晶片会发生共振,并带动共振板振动产生超声波,这时 它就是一个超声波发生器；反之,假如两电极问未外
15、加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波 接收换能器；超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志；2.3 超声波检测接收电路集成电路 CX20226A是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器；考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率 40 kHz较 为 接 近 , 可 以 利 用 它 制 作 超 声 波 检 测 接 收 电 路 如 图 2-3 ； 实 验 证 明 用 CX20226A接收超声波 无信号时输出高电平 ,具有很好的灵敏度和较强的抗干扰才能；适当更换电容 C4的大小,
16、可以转变接收电路的灵敏度和抗干扰才能；名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图2-3 超声波检测接收电路2.4 超声波测距单片机最小系统设计本系统的特点是利用单片机掌握超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时,单片机选用AT89C51,经济易用,且片内有4K的ROM,便于编程；电路原理图如图 2-4 所示；其中只画出前方测距电路的接线图,左侧和右侧测距电路与前方测距电路相同,故省略；名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - -
17、 - - - 个人资料整理 仅限学习使用图 2-4 单片机最小系统电路原理图第 3 章 系统软件的设计超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成；我们知道C 语言程序有利于实现较复杂的算法,汇编语言程序就具有较高的效率且简洁精细运算程序运行的时间,而超声波测距仪的程序既有较复杂的运算运算距离时）,又要求精细运算程序运行时间/ 21）其中, d 为被测物与测距仪的距离,s为声波的来回的路程, c 为声速, t 为声波来回所用的时间；在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0 ,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间；当收到超声
18、波反射波时,接收电路输出端产生一个负跳变,在INT0 或 INT1 端产生一个中断恳求信号,单片机响应外部中断恳求,执行外部中断服务子程序,读取时间差,运算距离；其部分源程序如下：RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；关外部中断 0 . MOV R7, TH0 ；读取时间值 MOV R6, TL0. CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH；运算时间差 MOV 31H, A ；储备结果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - -
19、- 个人资料整理 仅限学习使用MOV 30H, A. SETB EX0 ；开外部中断 0 POP ACC. POP PSW RETI 3.2 主程序流程图软件分为两部分,主程序和中断服务程序,如图3-1a ） 所示；主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收次序的掌握；定时中断服务子程序 完成三方向超声波的轮番发射,外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距 离运算、结果的输出等工作；名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用主程序第一是对系统环境初始化,设置定时器T0 工作模式为 16 位定时
20、计数器模式；置位总中断答应位 EA并给显示端口 P0和 P1 清 0；然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为了防止超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发,需要延时约 0.1 ms这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后,才打开外中断 0 接收返回的超声波信号；由于采纳的是 12 MHz 的晶振,计数器每计一个数就是 1 s,当主程序检测到接收胜利的标志位后,将计数器 T0 中的数 即超声波来回所用的时间）按式/2=172T 0/10000cm2 20 时 的 声 速 为344 m/s就 有 ：其 中 , T0 为 计 数 器T0 的 计 算 值 ；测出距离后结果将以十
21、进制BCD码方式送往 LED显示约 0.5s ,然后再发超声波脉冲重复测量过程；为了有利于程序结构化和简洁运算出距离,主程序采纳 C语 言 编 写 ；名师归纳总结 3.3超 声 波 发 生 子 程 序 和 超 声 波 接 收 中 断 程 序第 15 页,共 28 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用超声波发生子程序的作用是通过P1.0 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号 频率约 40kHz 的方波）,脉冲宽度为12 s左右,同时把计数器T0 打开进行计时；超声波发生子程序较简洁,但要求程序运行精确,所以采纳汇编语言编程；超声波
22、测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号,一旦接收到返回超声 波信号 即 INT0 引脚显现低电平）,立刻进入中断程序；进入中断后就立刻关闭计时器 T0 停止计时,并将测距胜利标志字赋值1；假如当计时器溢出时仍未检测到超声波返回信号,就定时器 T0 溢出中断将外中断 0 关闭,并将测距胜利标志 字赋值 2 以表示此次测距不胜利；前方测距电路的输出端接单片机 INT0 端口,中断优先级最高,左、右测距电路的输出通过与门 IC3A 的输出接单片机 INT1 端 口,同时单片机 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的输入端,中断源的识别由程序查询来 处理,中断优先级为先右后左；部分源程序如
23、下：receive1 ：push psw push acc clr ex1 ；关外部中断 1 jnb p1.1, right ；P1.1 引脚为 0, 转至右测距电路中断服务程序 jnb p1.2, left ；P1.2 引脚为 0, 转至左测距电路中断服务程序 return ：SETB EX1；开外部中断 1 pop. acc pop. psw reti right ： . ；右测距电路中断服务程序入口 . ajmp. return left：. ；左测距电路中断服务程序入口. ajmp. return 第 4 章 系统的软硬件的调试名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共
24、28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用超声波测距仪的制作和调试都比较简洁,其中超声波发射和接收采纳 15的超声波换能器 TCT40-10F1T发射）和 TCT40-10S1,具有很好的灵敏度和较强的抗干扰才能；适当更换电容 干扰才能；C4的大小,可以转变接收电路的灵敏度和抗超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成；我们知道C 语言程序有利于实现较复杂的算法,汇编语言程序就具有较高的效率且简洁精细运算程序运行的时间,而超声波测距仪的程序既有较复杂的运算运算距离时）,又要求精细运算程序运行时间超声波测距时
25、）,所以掌握程序可采纳C 语言和汇编语言混合编程；主超声波测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号,一旦接收到返回超声波信号 . 武汉：华中理工高校出版社, 1999.4 6 徐淑华,程退安,姚万生. 单片机微型机原理及应用. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社, 1999. 6.7 苏长赞 . 红外线与超声波遥控 . 北京：人民邮电出版社, 1993.7 8 张谦琳 . 超声波检测原理和方法 . 北京：中国科技高校出版社,1993.10 9 九州. 放大电路有用设计手册 . 沈阳：辽宁科学技术出版社,2002.5 10 樊昌元,丁义元 . 高精度测距雷达讨论 . 电子测量与仪器学报, 200
26、0.10 11 苏伟,巩壁建 . 超声波测距误差分析 . 传感器技术, 2004. 12 永学等 .1-Wire总线数字温度传感器DS18B20及应用 . 电子产品世界,2003.12 13 胜全 .D18B20 数字温度计在微机温度采集系统中的序编制 . 南京：南京高校 出版社 1998. 314 恒清,张靖. 加强单片机系统抗干扰才能的方法. 通化师范学院学报,2004 .10 15 晗晓,袁慧梅. 单片机系统的印制板设计与抗干扰技术. 电子工艺技术,2004 .6 附录 A 超声波测距电路原理图名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 28 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用附录 B 程序清单名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 28 页精选学习资