自动化专业课程设计

自动化专业课程设计

便携式测距仪系统设计

学生学号：2009041227

学生姓名：李玉成

班级：09412

指导教师：王辉

起止日期：

哈尔滨工程大学自动化学院

一、设计要求

用单片机设计一套超声波测距检测系统,实现对测距的显示和提示以及临界报警

二、设计方案

设计思路

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，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到工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面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用STC89C52单片机作为控制器，用1602液晶进行温度及距离的显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。

在北方季节温差较大，对声速的影响也就比较大，如果对测量精度要求较高时，传统的那种将声速固定用340m/s 来计算距离的方式就无法满足需求。所以为了提高测量队精确性，在本设计中加入了以DS18B20为核心的温度补偿装置。测量时先通过温度传感器DS18B20测出当前环境温度，然后用STC89S52单片机计算出此时的声速，再测量超声波发射和返回的时间差，以此算出最终距离。本系统的超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，再利用公式S=Ct/2就可以算出距离，通过温度传感器测出当前温度[6]，以此计算出当前声速，测出更加准确的距离值，最终在1602液晶上显示出来。当测量距离过近货过远时，系统会发出警告。正常距离予以显示。

为了实现以上功能，系统大致设计了如下几个模块：

（1）单片机最小系统

（2）液晶显示模块

（3）超声波接收、发射模块

（4）报警模块

（5）温度补偿模块

（6）电源模块

设计方案的论证

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实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方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。

测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，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；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。

三、设计内容 超声波测距的原理

超声波的产生与接受通常由两只结构完全相同的超声压电换能器分别完成。超声波的产生是利用压电陶瓷的逆压电效应[7]，在交变电压作用下，压电陶瓷纵向长度周期性地伸缩，产生机械振动而在空气中激发出超声波；超声波的接受则是利用压电陶瓷的正压电效应是声压变化为电压的变化。

超声测距的原理大多采用渡越时间法，本设计采用的是超声波测距最常用的方法渡越时间探测法。即在声速已知的情况下，通过测量超声波回声所经历的时间来获得距离。其原理图如图2.1所示。

图2.1 超声波测距原理图

即：

/2D c t =⋅ （2.1）

式中：D 为换能器与障碍物之间的距离；c 为声波传播速度，

/c RT m γ= （2.2）

γ为气体定压比热与定容比热之比-1-1R=8.314J mol K ⋅⋅，R 为普实气体常数；T 为

绝对温度；m 为气体的分子量；t 为超声波发射到返回的时间间隔。

在本设计中，超声波传播的介质默认为是空气，因为北方温差较大，为了提高精确度加入了温度补偿装置，但为了使设计简便，忽略了湿度对声速的影响。随意声速c 的最终计算公式为

c 331.41T/273=⋅+ （2.3）

超声波测距仪的工作原理通常为：在单片机的控制下，超声波发射电路产生40 kHz 脉冲，经过放大后驱动发射端发射。同时单片机内部计数器开始计数，超声波被反射后再接收端转换为电信号，经过滤波放大后送给检波器，一旦检波器收到了回波，计数器就停止工作，得到计数值。然后单片机根据计数频率和温度补偿电路测得声速，计算并得到待测距离。 超声波测距仪的模块电路

本设计的超声波测距仪分为7个模块[8]。超声波发射模块、超声波接收模块，温度测量模块，单片机控制模块，显示模块，报警模块，电源模块组成。7个模块协同工作共同完成检测任务。

图2.2 系统硬件结构图

障 碍 物

单 片 机

超声波

接收

滤波放大

倍整压流

比较电路

超声波发射

整形及功放

发射震荡

温度补偿

显示

报警

电源

超声波测距系统的硬件设计

本文设计的硬件电路主要包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、液晶显示电路部分、温度补偿部分、报警电路和电源电路。电源部分可以通过电池或是电源来为整个系统供电；单片机系统用来产生控制脉冲，控制超声波的发射，并且对接收回来的信号进行处理计算；超声波发射电路部分主要用来产生40KHz的超声波，并且有驱动电路发射换能器发射出去；超声波接收电路部分用来检测超声波回波信号，超声波回波经超声接收换能器，放大滤波，检波电路后进入比较器，比较器输出端的信号进入单片机产生中断，用于计时；温度补偿部分将测得的温度输入单片机中，方便单片机计算出当前温度下的声速；最终单片机将计算的距离值在液晶1602上面显示出来。

（1）STC89C52RC单片机最小系统

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，2个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

复位电路