智能障碍探测仪课程设计

南京工程学院

课程设计任务书

课程名称《传感器与检测技术》及

《智能仪器》综合课程设计题目智能路灯亮灭控制系统院（系、部、中心）自动化学院

专业测控技术与仪器

班级

姓名

学号

起止日期

指导教师

智能障碍探测仪

1.智能障碍探测仪的设计要求

2.课题设计思路及其总体方案

3.超声波测距的工作原理

4.超声波测距发射各模块分析与电路图设计的构思

5.超声波测距接收方案设计

6.超声波测距特点及影响因数

7.软件设计

8.实物检验

9.参考文献

10.总结

一．智能障碍探测仪的设计要求：采用MCS51系列单片机构建系统。探测距离为3米，若3米以内有障碍物，系统发出声或光报警信号。

二．课题设计思路及其总体方案

因为涉及到距离探测，必须要对距离进行测量。在经过查阅资料和网络收索之后总结出测量距离的方法有以下几种：

（1）激光测距：激光测距的稳定性好，精度高，但是激光的传播速度为光速，适合大量程测量，而本课题所需测量的距离较短，仅为3米，则不宜采用激光测距。

（2）超声波测距：超声波的传播速度为声速，在常温下，标准空气中传播速度为335. 5米/秒。测量的距离为3米，则所需的时间大概在毫秒级，比较容易测量，且温度每变化一度对声速的影响仅有0.6m/s，受到外界的干扰较小。另外超声波传感器的价格适中，易于实现，因此选用超声波传感器测距.

三. 采用脉冲回波法测量超声波经反射到达接受传感器的时间和发射时间之差来实现测距，也叫渡越时间法。其原理图如下图所示。

首先由发射传感器向空气中发射超声波脉冲，声波脉冲遇到被测物体反射回来，由接受传感器检测回波信号。若测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差t，即可算得传感器与反射点间的距离s。

s=c*t/2

式中：c为材料中的声速，t为声波的往返传播时间。

经过上面的陈诉，本组已经基本确定了智能障碍探测仪的设计方案。采用AT89S51单片机作为主控制器，用液晶显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波发射和接收采用超声波发射模块和接受模块实现。

四．模块分析

1.信号发生模块

选取一个8051单片机芯片，将晶振电路、复位电路、电源电路连接到单片机相应的引脚上组成单片机的最小系统。利用单片机的中断资源和I/O口资源进行相应连接并进行程序编辑：用P3.2口控制初始信号的发射与否，用P0.O口、

P0.1口发射初始信号，如图1所示。

晶振电路

复位电路

电源电路

8051单片机芯片

2 .信号处理模块

（1）驱动电路的设计

如果将两列波(0.03 MHz)直接从单片机的输出口PO.O 和P0.1输出接入后面的5倍频电路，可能会由于电流小而不能驱动倍频电路。从这点来考虑就需要在单片机与倍频电路之间接入一个驱动电路，如图2所示。在单片机的一个输出口接一个非门，而后接入由4个非门并联的电路，由于非门是有源器件，这样就使得输入倍频电路的信号能量大大提高，起到驱动电路的功能.

信号处理

(2)倍频电路的设计

根据电容电感元件的基本特性，以及电路的相关知识可以由已知条件得出：

如图所示，当在LC并联电路中发生并联谐振时，由电路的特性可知：

并联谐振具有下列特征：

(1)谐振时电路的阻抗模为|Zo|=1/(RC/L)=L/RC。其值最大，即比非谐振情况下的阻抗模要大。因此在电源电压U一定的情况下，电路中的电流I将在谐振时达到最小值，即I=IO=U/(L/RC)=U/|Zo|。

(2)由于电源电压与电路中电流同相(∮=0)，因此电路对电源呈现电阻性。谐振时电路的阻抗摸|Zo|相当于一个电阻。

(3)谐振时各并联支路的电流为：IL=U/2πfoL;Ic=U/(1/2πfoC)，可见IL=Ic>Io，品质因数Q=IL/Io。

(4)当电路发生谐振时，电路阻抗模最大，电流通过时在电路两端产生的电压也是最大。当电源为其他频率时电路不发生谐振，阻抗模较小，电路两端的电压也较小。这样就起到了选频的作用。电路的品质因数Q值越大，选择性越强。

通常把晶体管的输出特性曲线分为3个工作区：

(1)放大区。输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，Ic=βIb。放大区也称为线性区，因为Ic和Ib成正比的关系。当晶体管工作于放大区时，发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，即对NPN型管来说，应使Ube>O，Ubc< p>

(2)截止区。Ib=0的曲线以下的区域称为截止区。Ib=0时，Ic=Iceo。对NPN 型硅管而言，当Ube<>

(3)饱和区。当Uce< p>

LC选频电路接在集电极电路中，通过的交流电流为Ic，其两端交流电压为Uce(即为输出电压)，它是并联交流电路。

当发生并联谐振时，谐振频率可求得，当将振荡电路与电源接通时，在扰动信号中只有频率为f0的分量才发生并联谐振。在并联谐振时，LC并联电路的阻抗最大，并且是电阻性的(相当于集电极负载电阻Rc)。因此，对f0这个频率来说，电压放大倍数最高，当满足自激振荡的条件时，就产生自激振荡。对于其他频率的分量，不能产生并联谐振，这就达到了选频的目的。在输出端得到的只是频率为f0的信号。当改变LC电路的参数L或C时，输出信号的振荡频率也就改变，于是就可以进行倍频，本实验用的是五倍频，如图下所示。

在实验中已知频率和电容参数计算电感参数，由已知条件可得：Ll=L2=11257.9 nH;L3=112.58 nH。

（3）整波电路的设计

在本实验中运用的是CD4069集成非门电路，非门主要是将输入信号波整合成方波以便于后面与门对波的进一步处理。只要工作电压达到非门的开启电压经过这样的处理就可将输入波整合成方波，如图所示。