10-11-1检测课程设计说明书(论文)封面(电气071)

南京工程学院

课程设计说明书(论文)

题目基于超声波传感器的测距系统设计

课程名称检测技术课程设计

院系电力工程学院

专业电气工程自动化

班级电气071

学生姓名董龑

学号 206070821

设计地点工程中心8-315

指导教师许大宇

设计起止时间：2010年12月27日至2011年1月7日

南京工程学院

课程设计任务书

课程名称检测技术与系统课程设计院（系、部、中心）电力工程学院

专业电气工程及其自动化

班级电气071 起止日期10.12.27~11.1.7

指导教师许大宇

目录

0. 前言 (7)

1．设计目的 (7)

2. 设计要求 (7)

3. 超声波测距系统的原理及其算法设计 (7)

4. 硬件设计 (7)

4.1超声波发射电路 (7)

4. 2超声波接收电路 (8)

4. 3 单片机系统及显示电路 (8)

5. 系统程序设计 (9)

5. 1主程序设计 (9)

5. 2超声波发生子程序和超声波接收中断程序 (10)

6．系统实际测距数据分析 (10)

7. 结论 (11)

8. 设计心得 (11)

9. 参考文献 (11)

0.前言

超声波具有方向性好、在介质中传播能量消耗缓慢、且其速度远小于光速等特点,因而超声波可用于距离测定。超声波测距的基本思想是:通过测量从超声波发射到接收到反射回波的时间间隔来计算距离。本文利用超声波特性,设计了基于单片机的一种超声波测距系统,可以实现对目标距离的非接触式测量。

1.设计目的

通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。2.设计要求

（1）测距范围：0~200mm，测距精度：±1mm；

（2）根据题意，明确测距系统性能指标及系统能完成的功能；

（3）根据系统要求，选择合适的传感器；

（4）设计传感器测量电路；

（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；

（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；

（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始）；

（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；

（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。

3.超声波测距系统的原理及其算法设计

考虑实际工程测量要求,利用超声波测距时,选用频率f=40KHz的超声波。超声波传感器是实现声电转换的装置,又称为超声波换能器或者超声波探头。它是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。本设计中实际采用了T/R40-12压电式超声波换能器,它的工作频率为40KHz,外壳直径为12mm。

超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号,当这个超声波信号遇到被测物体后反射回来,就会被超声波接收器R接收到,此时只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间,就可算出超声波发生器与反射物体之间的距离。该距离的计算公式为:

d = s/2= (v×t) /2 (3-1)

其中:d为被测物与测距器间的距离;s为声波往返的路程;v为声速;t为声波往返所用的时间。由于超声波也是一种声波,其声速与温度有关。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。在本设计中,默认实验室理想温度为20℃,该温度下对应声速约为344m /s。

4. 硬件设计

超声波测距系统框图如图4. 1所示。硬件电路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。

图4.1 超声波测距器系统框图

4.1超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图4. 2所示。发射电路主要由反向器和超声波换能器构成。单片机P1. 0端口输出的40KHz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,用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端以提

高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联,用以提高驱动能力。上拉电阻R1和R2一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡的时间。

图4. 2 发射电路

4. 2超声波接收电路

由于超声波在空气中传播,其能量会随传输距离的增大而减小,从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱(接收电压为mV级),所以在设计超声波接收电路时,要有较大的放大倍数;为减小环境噪声对回波信号的影响,也要考虑选用滤波特性较好的电路,使回波易于检测。

超声波接收电路使用集成电路CX20106A,可用来完成信号的放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等功能,电路如图3所示.其中的前置放大器具有自动增益控制功能,可以保证在超声传感器接收较远反射信号输出微弱电压时,放大器有较高的增益,在近距离输入信号强时放大器不会过载;其带通滤波器中心频率可由芯片5脚的外接电阻调节,不需要外接电感,可避免外磁场对电路的干扰,可靠性较高CX20106A接收超声波有很高的灵敏度和抗干扰能力,可以满足接收电路的要求。同时,使用集成电路也可以减少电路之间的相互干扰,减小电噪声.接收电路输出波形如图4.3所示。

图4.3 接收电路

4.3 单片机系统及显示电路

测距系统以单片机AT89C51为核心,采用12MHz晶振,以获得较稳定的时钟频率,减小测量误差。单片机用P1. 0端口输出超声波换能器所需的40KHz方波信号,利用外中断监测超声波接收电路的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阴极数码管,段码用CD4543驱动,位码用三极1015驱动。单片机系统及显示电路如图4.4所示。

图4.4 单片机及显示系统电路图

5. 系统程序设计

超声波测距电路的程序设计主要由主程序、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。由于C语言利于实现较复杂的算法,汇编语言具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间,而超声波测距器的程序既有复杂的计算(计算距离时)又要求精确计算程序运行时间(超声波测距时),所以控制程序可以采用C语言和汇编语言混合编程。

本超声测距系统的软件设计采用模块化设计,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。

超声测距,最重要的就是对发射信号的控制及接收测量的时机控制。在设计中,AT89C51对发射的控制就是对40kHz方波产生电路的控制。由AT89C51的P1.0口控制超声波发射电路以6个脉冲的序列发射出去,在程序中用延时实现。脉冲发射同时打开定时器T0开始计时,发射后等待1ms打开外部中断INT0,等待回波反射到接收探头。等待1ms的原因是,超声波发射探头发射的超声波一般都会存在余波干扰,有部分声波会直接传到接收探头,经接收电路放大后,系统就会把它误认为是检测的回波信号,发射后等待1ms可以避免检测到余波信号,当然这也会导致测量盲区的存在。5.1主程序设计

主程序首先是对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位定时器模式,置位总中断允许位EA,并将显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发,需要延时约为0. 1ms(这也是超声波测距器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。由于采用的是12MHz的晶振,计数器每计一个数就是1us,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数器T0中的数(即超声波往返所用的时间)按式3-1计算,即可得到与被测物体之间的距离(20℃,声速344m /s),则有:

d = (v×t) /2=172T0/1000mm (5-1)

其中:为计算器T0的计数值。测出距离后结果将以十进制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。图5. 1为主程序流程图。

图5.1

5. 2超声波发生子程序和超声波接收中断程序

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12us左右,同时把计数器T0打开进行计时,超声波发生子程序比较简单,但要求程序运行时间准确,所以采用汇编语言编程。

超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号,一旦接收到返回超声波信号(即INT0引脚出现低电平),立即进入中断程序,进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时,并将测距成功标志位赋值1。

若计时器溢出时还未检测到超声波返回信号,则定时器T0溢出中断将外中断0关闭,并将测距成功标志字赋值2以表示本次测距不成功。

6. 系统实际测距数据分析

距离测试结果如表1所示:

从表1的数据可以看出，对所要求测量范围20mm~200mm内的平面物体做了多次测量发现,其最大误差为0.5mm,且重复性好。可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、经济、可靠、测量误差比较小等特点。但是数据不可能完全吻合，主要有以下几个原因:

(1)每次测量时，探头的位置，方向有微小变动。而且环境条件不同也会得到不同的结果。

(2)盲区的出现是因为发射信号必须有一个上升时间，当距离太近时计算机系统已不能处理迅速返回的反射波信号，所以距离小于0.20m时测量误差明显增加。远距离时，回波信号微弱，混有大量的噪声，对门限判定造成很大干扰，易产生误判。

(3)由于反射物而引起的偶然误差，这可能是测量中最大的误差源。发射探头发出的超声波并非

直线传播，而是呈喇叭状扩散传播的。

7. 结论

本文概述了超声测距的一般原理，设计了收发和测距电路，在阈值比较法的基础上，通过渡越时间的确定来设计测距软件。本系统在空气中测量范围为0～2m左右，对固体，液体表面均可测量，但要求被测表面比较光滑平坦，确保超声波能够被反射回来，并被探头接收。在实验中，对20～200 mm范围进行测量，精度达1mm。线性度、稳定性和重复性都比较好。

8. 设计心得

两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次检测技术课程设计，本人在多方面都有所提高。通过这次检测技术课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次基于超声波传感器测距离的设计工作的实际训

练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了自动检测技术等课程所学的内容，掌握超声波传感器测具体设计的方法和步骤，掌握了超声波传感器的工作原理以及单片机的使用方法，提高了分析能力，综合运用能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计硬件接线图的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的许大宇老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课程设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

9. 参考文献

[1]、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，2009

[2]、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.2001

[3]、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.2000

[4]、张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社, 2006

[5]、阮一辉.基于超声波定位技术的障碍物探测[D].苏州:苏州大学, 2007.