发布日期:2012年12月01日 23:01
基于单片机的超声波测距仪设计
基于单片机的超声波测距仪设计
项目成员:黄智定  指导老师  赵波
摘  要  
    本项目的选题背景、目的与意义:随着科学技术的快速发展,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,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来,超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求,随着测距仪的技术进步,测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
项目实施的初步收获体会:本次设计是我第一次制作实物电子设计,从硬件布局焊接到软件编程全部由我一人完成,初步的一些体会是硬件设计和电路理论不同,有很多实际情况并不是像理论那样理想化,比如信号干扰问题,本次设计涉及超声波传感器,所以排除和解决干扰就显得尤为重要。同时焊接的时候要注意硬件的布局。
关键字:超声波测距仪的应用、单片机、超声波传感器
   
    一 创新计划项目的选题、目的与意义
随着科技的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,城市给排水系统也有较大发展,其状况不断改善。但是,由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素,城市给排水系统,特别是排水系统往往落后于城市建设。因此,经常出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水系统污水处理,人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统,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。控制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非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。本次设计之所以会选择超声波测距,因为这是一个非常经典的利用单片机完成传感器信号采集以及数据处理的设计,完成这样一个设计就能对单片机的使用,命令编写了如指掌。从而能掌握其它不同型号的单片机的使用并且能很快上手。
    二 创新活动计划过程中的体会与收获
    本次设计第一次制作实物,其中学习了很多硬件的知识,比如硬件的布局,单片机的I/O口的引脚用排针引出来方便接线,单片机的电源和接地需要和其它模块相连,必须要引出多个排针,方便和其它模块连接。制作排线时必须对导线和插座进行焊接,以保证可靠性,万能板上的焊点和焊锡要少但又必须要将焊锡覆盖住导线,这就需要导线裸露在外的部分要少。如果太多就会导致焊点太粗,焊点与焊点之间容易产生短路,同时导线不益过长,以避免导线产生的磁场干扰。由于本次设计是低频电路,所以电容可以选择电解电容和低频瓷介电容,电解电容容量较大,主要用在滤波,低频去耦等,低频瓷介电容容量也较大用于低频电路以及对信号频率有一定要求的电路。在万能板上制作本设计系统时,在LCD1602上遇到了比较大的问题。第一是引脚定义问题,在焊接前事先没有搞清楚具体的引脚排列,导致接线错误。第二是排线在最开始试验的时候导线没有和插头焊接住,整个接线接触不良。在与单片机相连并在已经验证程序正确的情况下迟迟未能出现显示。最后将所有的排线和单根插线重新焊接、并重新焊接了单片机最小系统后解决了这一问题,从中也教会了我制作硬件、器件布局等等与理论知识完全不同,只有通过实践才能了解到硬件的细节问题。同时当在硬件出现问题时可以查找相应芯片的工作手册或说明书,一般都会提供正常工作时的一些参考电压或者电流,通过这些参数能帮助我们了解芯片工作是否异常,并且用万用表来检查线路的通断在线路复杂的电路中是必须的。555电路、超声波发射接收电路都用到了集成电路,所以没有很大问题,稍作调试后就能正常工作。软件设计方面,由于C语言简洁,快捷且不容易出错相比汇编,不再需要考虑数据存储地址。所以很快就能调试成功。
    超声波测距仪的原理是通过外加10v电压于超声波发射传感器两端,压电晶片带动锥心振子振动从而发射出超声波,当在均匀介质中传播的超声波遇到障碍物后会被反射,当锥心振子在无外加电压作为接收传感器时,振子接收到超声波后会产生振动并与发射相反的,它会使压电晶片两端产生电信号。基于这个原理,通过测定从发射开始至接收产生电信号的时间即可测定超声波发射端至被测物体的距离。也就是常用的时间差测量法。
超声波测距仪的硬件电路主要包括,单片机AT89S51系统电路,超声波发射电路,40kHz方波发生电路(NE555),超声波接收电路以及LCD1602液晶显示电路。
单片机AT89S51 4K ROM、128B RAM、2个定时/计数器、以及5个中断源,本设计只用到1个定时器计时以及一个外部中断所以AT89S51的片上资源足以完成测距。
图 1 单片机AT89S51的电路原理图
超声波发射电路为了获得10v电压用来驱动超声波传感器采用了74LS04六反相器来完成。每个反相器的输出电流时一定的,所以使用两个反相器可以是电流加倍,提高了驱动电流。上拉电阻可以提高反相器的驱动能力。
利用这种推挽式的方式加大探头两端的电压
图 2  超声波发射电路原理图
示波器所显示的探头两端电压,压差为10v        
图 3  发射探头两端电压波形
接收电路方面采用日本索尼公司生产的彩电专用红外遥控接收器CX20106A,CX20106A的特点是价格便宜、电路简单,但是接收频率必须是40kHz。
                   接头部分是芯片CX20106A
                    图 4  超声波接收电路原理图
所以CX20106A周围器件的规格要求比较高,第二脚电容一般不用改变使用1uF,电阻4.7Ω。第三脚检波电容接3.3uF。第五脚的电阻决定了接收中心频率为40KHz。第六脚接积分电容330pF,如果取值过大则探测距离会变短。这块芯片告诉我在学习一款陌生芯片时,我们所要关注的是芯片的功能,并通过查阅用户手册了解它的用法,而不是研究它的内部是怎么样的。555定时器的使用和原理在数字电路课上已经学过了。以下是创新设计过程中的一些照片。
图 5  555定时器原理图
555定时器输出地40kHz方波在示波器上的显示
图 6  555定时器构成的多谐振荡器
本设计软件方面包括两部分主程序及外部中断程序。主程序主要是准备工作,包括定时器的初始化,开中断。外部中断中完成数据处理以及输出显示。程序开始首先先将单片机的P2.0(555复位端)置1以保证555不工作超声波不发射,设定定时器工作方式,本设计采用的是16位定时器,开总中断后准备工作就完成了,执行TR0=1,P20=0超声波开始发射并且定时器开始计时。延时0.1ms后打开外部中断允许,这样做的目的是避免超声波直接发射至接收传感器的直射波引起中断。当超声波接收传感器接收到回波并产生外部中断时,停止定时器和555的工作,读取定时器中的值,即定义两个变量,将TL0、TH0中的值赋给它们。至此,数据采集部分完成。在数据处理部分用C语言的运算指令,不难将得到的4位16进制数转换成10进制并完成乘以声速等一系列的数据处理工作。最后是输出显示部分,在开始送显示之前先清屏再设定液晶的工作方式比如有无光标、光标是否自移动、数据接口选择4位/8位,5X7点阵/5X10点阵等等。
    准备工作完成后,开始送数,每次送数或者送指令前必须检查液晶是否处于忙碌状态。送数结束后重新对定时器赋初值,开启中断。开始新一轮的测距。
在元件及调试方面,本设计涉及传感器在最初完成硬件焊接,软件编程后始终无法得出理想的测量值,通过问题排查。发现是接受电路的接收灵敏度问题,使用不同的探头就需要并联不同的电容。同时也发现了当硬件出现问题的时候,如何使用好示波器是解决实际信号问题的关键,这是课本上所无法学到的,书上只会告诉你如何使用示波器,并不会告诉你如何用它来解决问题。考虑问题的时候要非常全面,当出现问题的时候,我曾怀疑是自己编程有问题,通过对每一条指令的检查后确定无误后将问题锁定在硬件上。同时探头的位置与间距与实际探头有关,不同的探头适合的距离不同,不能光借鉴别人的参考值,必须自己去调试。
    三 设计结果
本设计进度:已全部完成  最大测量距离254cm,精确到1cm。创新过程中首先完成了对液晶显示电路的设计,此部分较简单用C语言编程将会非常的容易。并且通过编程能成功的让液晶显示需要的字符。如上文所说本设计的难点在于超声波传感器的信号传递,因为超声波看不见摸不着,所以使用好示波器是解决本问题的关键。必须通过示波器检测回波产生的信号是否正确,调节接收灵敏度和发射强度,从而达到最好的效果。系统设计原理图如下:
                 图 7  系统原理图
                                  图 8  PCB
     本次设计并没有做成PCB板,PCB部分主要是学习protel这款硬件电路设计软件。
 
参考文献
[1]李全利.单片机原理及接口技术.高等教育出版社.2004
[2]张珂,俞国华,刘刚海.超声波测距回波信号处理方法的研究.测控技术.2008(1)
[3]匡小军.超声波测距系统的研究与应用.数字技术与应用.2005
[4]吴赛燕,杨辉.超声波测距处理算法研究.2009(3)
[5]盛春明.超声波测距仪.制作天地.2009
[6]王博.基于超声波测距技术的倒车雷达的应用和设计.信息科技.2007
[7]张佳名,杨宁,甄兰兰.基于峰值校准超声波测距的研究.仪表技术与传感器.2009(5)
[8]张珂,刘钢海.提高超声波测距精度方法的研究.现代电子技术.2007(15)
 
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