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基于单片机的超声波测距系统的研究与设计

更新时间  2021-08-17 23:24 阅读
本文摘要:在日常生产生活中,很多场合如汽车方向灯、机器人避障、工业测井、水库液位测量等必须自动展开非认识测距。超声波是指频率小于20kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,其具备指向性强劲、能量消耗较慢、传播距离比较很远等特点,因此经常被用作非认识测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不脆弱,因此超声波测距对环境有较好的适应能力,此外超声波测量在动态、精度、价格也能获得很好的折中。

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在日常生产生活中,很多场合如汽车方向灯、机器人避障、工业测井、水库液位测量等必须自动展开非认识测距。超声波是指频率小于20kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波,其具备指向性强劲、能量消耗较慢、传播距离比较很远等特点,因此经常被用作非认识测距。由于超声波对光线、色彩和电磁场不脆弱,因此超声波测距对环境有较好的适应能力,此外超声波测量在动态、精度、价格也能获得很好的折中。  为此,文中尝试以单片机AT89S52为核心,利用一对40kHz压电成像传感器设计一款体积较小、价格低廉、精度较高、具备温度补偿、动态LCD表明和报警的超声波测距仪。

  1超声波测距原理  超声波传感器分机械方式和电气方式两类,它实质上是一种换能器,在升空末端它把电能或机械能转换成声能,接收端则反之。本次设计超声波传感器使用电气方式中的压电式超声波换能器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极另加脉冲信号,其频率相等压电晶片的固有波动频率时,压电晶片将不会再次发生共振,并造就共振板振动,产生超声波。反之,如果两电极间并未另加电压,当共振板接管到超声波时,将反抗压电晶片不作振动,将机械能切换为电信号,就沦为超声波接收器。

在超声波电路中,升空末端输入一系列脉冲方波,脉冲宽度越大,输入的个数就越多,能量越大,所能测的距离也越大。超声波升空换能器与接管换能器其结构上略为有有所不同,用于时应认清器件上的标志。

  超声波测距的方法有多种:如来往时间检测法、振幅检测法、声波幅值检测法。本设计使用来往时间检测法测距。

其原理是超声波传感器升空一定频率的超声波,利用空气媒质传播,抵达测量目标或障碍物后光线回去,经光线后由超声波接收器接管脉冲,其所经历的时间即来往时间,来往时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出结论距离。  假设s为被测物体到测距仪之间的距离,测出的时间为t/s,超声波传播速度为v/ms-1回应,则有关系式(1)s=vt/2(1)  在精度拒绝较高的情况下,必须考虑到温度对超声波传播速度的影响,按式(2)对超声波传播速度加以修正,以增大误差。

v=331.4+0.607T(2)  式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。  2系统总体设计方案  本系统由超声波升空、脉冲信号接管、温度测量、表明和报警、电源等硬件电路部分以及适当的软件部分包含。系统原理框图,如图1右图。

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  整个系统由单片机AT89S52掌控,超声波传感器使用发送分体式,分别是一支超声波升空换能器TCT40-16T和一支超声波接管换能器TCT40-16R。超声波信号通过超声波升空换能器升空至空气中,时逢被测物光线后脉冲被超声波接管换能器接管。展开涉及处置后,输出单片机的INT0脚产生中断,计算出来中间经历的时间,同时再行根据明确的温度计算出来适当的声速,根据式(2)就可得出结论适当的距离用来表明,当然在一些场合也可根据必须,设置距离报警值。  3硬件设计  3.1超声波升空部分  超声波升空部分是为了让超声波升空换能器TCT40-16T能向外界收到40kHz左右的方波脉冲信号。

40kHz左右的方波脉冲信号的产生一般来说有两种方法:使用硬件如由555波动产生或软件如单片机软件编程输入,本系统使用后者。编程由单片机P1.0端口输入40kHz左右的方波脉冲信号,由于单片机端口输出功率过于,40kHz方波脉冲信号分为两路,赠送给一个由74HC04构成的推挽式电路展开功率放大以便使升空距离充足近,符合测量距离拒绝,最后赠送给超声波升空换能器TCT40-16T以声波形式升空到空气中。升空部分的电路,如图2右图。

图中输入末端上拉电阻R31,R32,一方面可以提升偏移器74HC04输入高电平的驱动能力,另一方面可以减少成像换能器的阻尼效果,延长其自由振荡的时间。  3.2超声波接管部分  上述TCT40-16T升空的在空气中传播,遇上障碍物就不会回到,超声波接管部分是为了将反射波(脉冲)成功接管到超声波接管换能器TCT40-16R展开切换变为电信号,并回应电信号展开缩放、滤波、整形等处置后,这里用索尼公司生产的构建芯片CX20106,获得一个胜脉冲赠送给单片机的P3.2(INT0)插槽,以产生一个中断。接管部分的电路,如图3右图。  可以看见,构建芯片CX20106在接管部分电路中起了相当大的起到。

CX20106是一款应用于普遍的红外线检波接管的专用芯片,其具备功能强劲、性能优越、外围模块非常简单、成本低等优点,由于红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为相似,而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节,阻值越大中心频率就越较低,范围为30~60kHz。故本次设计用它来做到接管电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路包含。

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工作过程如下:接管的脉冲信号再行经过前置放大器和限幅放大器,将信号调整到适合幅值的矩形脉冲,由滤波器展开频率自由选择,杂讯干扰信号,再行经整形,赠送给输入末端7脚。当接管到与CX20106滤波器中心频率吻合的脉冲信号时,其输入末端7脚就输入低电平,而输入末端7脚必要收到.AT89S52的INT0插槽上,以启动时中断。若频率有一些误差,可调节芯片插槽5的外接电阻R42,将滤波器的中心频率设置在40kHz,就可超过理想的效果。

  3.3其他主要电路  (1)温度测量部分。  由于声音的速度在有所不同的温度下有所不同,为提升系统的精度,使用了温度补偿功能。这里使用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20,其具备精度高、智能化、体积小、线路非常简单等特点。将DS18B20数据线与单片机的P1.1口连接,就可以构建温度测量,如图4右图。

  (2)LCD表明部分。  本设计表明部分使用字符型TC1602液晶显示所测距离值。TC1602表明的容量为2行16个字。

液晶显示屏有微功耗、体积小、表明内容丰富、超薄轻盈、使用方便等诸多优点,与数码管比起,变得更加专业、美观。用于时,可将P0与LCD的数据线连接,P2口与LCD的控制线连接,如图5右图。  其中,TC1602第4脚RS为寄存器自由选择,第5脚RW为读取信号线,第6脚E为使能末端。

第7~14脚:D0~D7为8位双向数据线。这里要留意的是,为了布线便利,单片机端的D0~D7是收到LCD/602的D1~D0,正好忽略,因此在撰写软件时必须做到处置,使加载准确。  (3)报警部分。  使用一个蜂鸣器,由P1.。


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