智能障碍探测仪

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

课题名称智能障碍探测仪

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

课设日期

指导教师

目录

一、设计题目

二、设计任务及要求

三、方案

四、硬件设计

1、单片机系统及显示电路

2、超声波发射电路原理

3、超声波检测接受电路

五、程序设计

1、超声波测距算法设计

2、主程序

3、超声波发生子程序和超声波接收中断程序

六、软件模拟调试

1、总程序一

2、伟福软件模拟器调试

七、硬件调试

1、总程序二

2、天煌教仪硬件调试

八、硬件清单

九、设计小结

十，参考文献

一、设计题目

智能障碍探测仪

二、设计任务及要求

设计要求：采用MCS51系列单片机构建系统。探测距离为米若3米以内有障碍物，系统发出声或光报警信号。

设计提示：该课题的被测对象是距离，可采用激光测距，也可采用超声波测距，迈克尔逊干涉仪是基于激光实现测距的，但在本课题中不宜采用，常用的方法是采用超声波测距，参考相关的教科书，了解超声波测距的原理；建立以单片机为核心的超声波测量系统框架图，然后查阅超声波传感器系列，选择满足量程要求的传感器；对障碍物的判断，可通过测量距离的方式实现，也可采用超时判断方式实现（在规定的时间内，如果接收到返回的超声波，则报警，否则认为无障碍物）；根据系统的工作原理，初步确定软件的基本结构和程序模块，估算程序容量，然后查阅MCS51系列单片机的型号，结合硬件接口的功能要求，合理选择单片机（容易获得相关资料），并对其外围电路作扩展（如果需要扩展）。

三、方案

1.测距方法选择

该课题的被测对象是距离，可采用激光测距，也可采用超声波测距。迈克尔逊干涉仪是基于激光实现测距的，激光的传播速度为光速，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。采

用超声波测距，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，且超声波传感器的价格适中，易于实现，因此，本组同学一致决定选用超声波传感器测距。

2.超声波测距方法

（1）连续波方法

测距系统通过相互独立的发射器和接收器来同时接受和发射信号，通过测量发射波和接收波之间的相移来获取时间的延时信息，其原理如图二所示：

图二连续波相移方法原理示意图

设超声接收器与发射器之间的距离为L，则有：

L=ct=Δψc/2πf

式中：Δψ为发射信号与接收信号之间的相移，c为声速，f为超声波频率。该方法最大的测量范围不能超过一个波长，否则将会产生相位混扰。例如，当超声波频率为40KHz时，最大范围仅约为8.6mm。

(2) 脉冲回波法

脉冲回波法通过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。其该方法简单实用，应用广泛，其原理图如图三所示。

图三脉冲回波测距原理

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。

综上所述，本组成员一致决定，选用脉冲回波法完成超声波测距。

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，用动态扫描法实现LED数字显示，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Φ15的超声波传感器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收）超声波测距器的总系统框图如图四所示

图四超声波测距器系统设计框图

四、硬件设计

硬件电路主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。

1.单片机系统及显示电路

单片机采用AT89S51单片机。12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图五所示

图五单片机系统与硬件显示电路

2.超声波发射电路原理

压电超声波传感器的功能：利用压电晶体谐振工作。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。

发射电路由门电路构成的可控震荡电路，五个反相器构成驱动电路，如图六所示：

图六五个反相器构成驱动电路

3.超声波检测接受电路

超声波接收的电路采用集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力。如图七所示：