超声波测距系统设计.docx
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超声波测距系统设计
（一）题目
超声波测距系统设计
（二）内容及要求
1）设计内容
采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。
可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。
功能：
1）LCD液晶显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：
cm）。
2）测量方式可通过硬件开关预置。
3）测量范围：
30cm～200cm，
4）误差＜0.5cm。
5）其它。
2）设计要求
1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。
2）独立设计原理图及相应的硬件电路。
3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。
并附上详细的原理图。
（三）传感器工作原理
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。
由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
这就是超声波测距仪的机理。
（四）系统框图
图1超声波测距系统框图
（五）单元电路设计原理
1、AT89C2051的功能特点
AT89C2051是一个2k字节可编程EPROM的高性能微控制器。
它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。
AT89C2051有以下特点：
2k字节EPROM、128字节RAM、15根I/O线、2个16位定时/计数器、5个向量二级中断结构、1个全双向的串行口、并且内含精密模拟比较器和片内振荡器，具有4.25V至5.5V的电压工作范围和12MHz/24MHz工作频率，同时还具有加密阵列的二级程序存储器加锁、掉电和时钟电路等。
此外，AT89C2051还支持二种软件可选的电源节电方式。
空闲时，CPU停止，而让RAM、定时/计数器、串行口和中断系统继续工作。
可掉电保存RAM的内容，但可使振荡器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。
AT89C2051有2个16位计时/计数器寄存器Timer0tTimer1。
作为一个定时器，每个机器周期寄存器增加1，这样寄存器即可计数机器周期。
因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。
作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。
由于需要二个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。
图2ATC2051示意图
2、LCD的工作原理
在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。
液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符、数字及图形。
因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。
LCD器件是由背光源发射的光通过偏振片和液晶盒时，控制投射强度识别图像的器件。
也就是LCD的亮度取决于通过液晶盒（LCD屏的透过率）和彩膜CF光量（CF的透过率）及背光源的亮度。
如图3所示，普通液晶显示器使用导光板的侧灯式光源，假设导光板光效率为100%，其在导光板中损失40%，通过下偏光片损失36%，通过液晶盒损失18%以及表面反射损失1%，由此，LCD显示从导光板到最终利用率不到5%。
由此可见，如何将光效率提高，如何让液晶显示呈现一个明亮鲜艳的图像是液晶显示产业的一个大问题。
且普通型液晶显示器采用三基色彩色滤光片来处理图像的合成，因此在色彩饱和度欠佳。
图3普通型液晶显示器原理图
3、系统硬件电路设计
AT89C2051通过外部引脚P1.6输出脉冲宽度为250μs，载波为40kHz的10个脉冲的脉冲群，以推挽形式加到变压器的初级，经升压变换推动超声波换能器发射出去。
在发射的同时，P1.7输出一个高电平启动，给电容C4充电。
发射结束时高电平翻转为低电平，C4开始对R2、R3组成的分压器放电并输出到比较器的负端。
超声波接收换能器将接收到的障碍物反射的超声波送到放大器进行放大，这是一个高增益、低噪声放大器，在对放大后的信号进行检波后将检测回波送到比较器的正输入端。
发射时P1.7输出的电平可以抑制比较器的翻转，这样就可以抑制发射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致错误检测。
图4电声转化电路
测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LCD上显示出来。
限制系统的最大可测距离存在四个因素：
超声波的幅度，反射而的质地，反射而和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
图5电声转化电路
4、系统软件设计
AT89C2051单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可以直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。
超声波测距仪就是用AT89C2051单片机开发设计的。
它采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。
图6和图7分别为系统主程序和测量子程序的框图。
该系统的主程序处于循环工作方式，主程序开始调用发射子程序、查询接收子程序、定时子程序，并把测量结果用显示子程序在液晶屏上显示出来。
5、程序流程图
开始
系统初始化
检查按键
调用测量子程序
调用显示子程序更新显示
图6主程序流程图
测量子程序开始
调用发射超声波子程序
监视接收输入，并进行时间测量
接收脉冲到来，本次测量结束
返回
图7测量子程序
6、程序清单
#pragmaDBOECDOT（5,SPEED）ROM（LARGE）IV
#include
#include
#include
typedefunsingnedcharbyte;
typedefunsignedintword
#defineucharunsignedchar
#defineunintunsignedint
#defineulongunsignedlong
#defineTRUE1
#defineFALSE0
#defineC=340
sbitbflag=ACC7;
sbitVOLCK=P1^5;
sbitMING=P3^5;
sbitQUIET=P1^3;
sbitBACK=P1^2;
ucharidataON[16]={’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=’,’8’,’.’,’8’8’,’m’,’’,’’,’’};
woidmain-delay（void）
{
registeri;
TRO=1;
for（i=0;i<15;i++）
{
TH0=0;
TL0=0;
Do{}while（!
TF0）;
TF0=0;
}
TR0=0;
}
voiddelay（void）
{
uninti;
for（i=0;i<200;i++）{;}
}
voidkey-delay（void）
{
uninti;
for（i=0;i<200;i++）{;}
}
voidstart_main（）
{
tegisteri;
uchara[16]={’’，’L’，’E’，’N’，’G’，’T’，’H’，’=,’8’,’.’，’8’，’8’，’m’,’’,’’,’’};
for（i=0;<16;i++）
{ON[i]=a[i];}
nitlcd（）;
display（ON）;
}
voidmain（）
{
registers,keycode;
longidatat;
start-main（）;
main-delay（）;
if（keycoed==true）
{
keycode=key-scan-wait（）;
t=measure（）;
S=0.5*t*C;
Decode-bcd（s.0x09）;
init-lcd（）;
display（ON）;
}
}
（六）完整的电路图
（七）参考文献
[1]《传感器及检测技术》高等教育出版社
[2]《自动检测技术》机械工业出版社
[3]《传感器电子学》宇航出版社
[4]《传感器实际应用电路设计》电子科技大学出版社
[5]超声波传感器相关资料
（八）设计中的问题及解决方法
此次设计时,遇到许多问题：
首先，在电路图的连接中,因为对于电路原理不很掌握，所以在连接时有时会连接错误。
其次，对芯片某些引脚的功能了解的不够透彻,导致在设计电路时出现了接线错误。
除此之外在对电阻电容的挑选上,有时会因阻值、容值的选择不当，而出现错误，从而使整个设计不够完美。
最后的程序编写过程中也出现了问题,对一些指令的使用出现错误。
但这些问题都即时的得以解决。
（九）总结
通过两周的课程设计，使我更进一步的了解了传感器原理的相关知识，加深了对各芯片的了解，初步达到了设计目的和要求。
提升了自己的实际实践能力。
明白了设计一个关于传感器测距方面的课题应从哪几方面入手。
例如程序实现，芯片的选择和连接，芯片在电路中起到什么作用，以及如何起到这样的作用。
此外也加强了我搜集资料和整理资料的能力，提高了自己动手分析问题、解决问题的能力。
这些都对我以后的工作进行了即时的训练。
并且在设计中遇到了许多问题，在对这些问题的解决上，也是对我个人能力的煅炼。
而且这些问题的出现很有价值，是值得重视的,需要在我以后的学习中不断的加以完善和提高。
但总的来说,通过这次的设计实验，进一步地增强了我的实际动手能力使我的理论与实践能力相结合，从而在整体上提高了自身的学习能力和理论素养。
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