超聲波測(cè)距器的設(shè)計(jì)

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1、Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company Logo,*,Click to edit Master title style,超聲波測(cè)距器的設(shè)計(jì),一、功能要求,超聲波測(cè)距器可應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)。建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度、物體厚度等的測(cè)量。其測(cè)量范圍為0.104.00m，測(cè)量精度為1cm。測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰、穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。,二、方案論證,由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而

2、超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也比較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到使用的要求。,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括電壓型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面較為常用的是壓電式超聲波換能器。,根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用AT89C52單片機(jī)作為主控器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成。超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下：,二、方案論證,超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖

3、,三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路,1,超聲波發(fā)射電路,2,超聲波檢測(cè)接收電路,3,硬件電路主要分為以下三個(gè)部分：,三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),1. 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路,單片機(jī)采用89C51或其兼容系列。系統(tǒng)采用12MHZ高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，并減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz方波信號(hào)，利用外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖：,三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),復(fù)位電路,晶振電路,LED顯示電路,三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

4、,復(fù)位電路的原理：只有在RST端給它24個(gè)時(shí)鐘周期，才能讓它復(fù)位。當(dāng)按下開(kāi)關(guān)時(shí)，VCC接通，由于10K電阻的分壓作用，RST端的電壓為5V，而5V電壓正好可以滿足RST復(fù)位的24個(gè)時(shí)鐘周期要求，于是RST復(fù)位。此電路同時(shí)也是自動(dòng)上電復(fù)位的，當(dāng)電容開(kāi)始充電、放電時(shí)，RST端的電壓便隨之變化，電壓由低到高，再由高到低，時(shí)間能夠滿足24個(gè)時(shí)鐘周期，故而RST能夠復(fù)位。,晶振電路的原理：晶振兩端各接一個(gè)無(wú)極性電容，電容上電，然后再放電，這樣便可以幫助晶振起振。另：12MHZ的晶振兩端接30PF的電容，6MHZ的晶振兩端接20PF的電容。,LED的工作原理：四位共陽(yáng)LED的一邊是段選端，一邊是位選端。同

5、名段選端各自相連，然后7位段選端口接到P0口，位選端接到P2口。通過(guò)位選可以控制每一個(gè)LED亮，通過(guò)段選端可以控制LED亮什么，其中段選端還要接上拉電阻，其作用是為了保證LED能夠點(diǎn)亮。在位選端加一個(gè)高電壓，段選端加一個(gè)低電壓，那么再加上上拉電阻的作用，便可以保證LED的兩端形成一個(gè)壓差，這樣LED就點(diǎn)亮了。,三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),2. 超聲波發(fā)射電路,超聲波發(fā)射電路原理圖如下圖。發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)

6、加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射速度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。兩個(gè)上拉電阻一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力；另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由振蕩的時(shí)間。,三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),超聲波換能器的工作原理,壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收道超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換

7、為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波發(fā)射換能器上標(biāo)有字母T，而接收換能器上標(biāo)有字母R。,超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖,三、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),3.超聲波檢測(cè)接收電路,集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖所示。實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A接收超聲波（無(wú)信號(hào)的輸出高電平）具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)?shù)馗碾娙軨4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能

8、力。,超聲波檢測(cè)接收電路,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波程序發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。由于C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。下面對(duì)超聲波測(cè)距器的算法。,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),1. 超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì),距離計(jì)算公式：d=s/2=(vt)/2,其中d是被測(cè)物與測(cè)距器的距離；s是超聲波的來(lái)回路程，v是超聲波在當(dāng)前溫度下的速度，t是發(fā)送和接收超聲

9、波所經(jīng)歷的時(shí)間。,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),超聲波測(cè)距器原理圖,T,R,障礙物,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),2.主程序算法設(shè)計(jì),主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器工作模式為16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對(duì)顯示端口P0和P2清0；然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延遲0.1ms后才打開(kāi)外中斷0，接收返回的超聲波信號(hào)。,由于采用12MHZ晶振，計(jì)數(shù)器每記一個(gè)數(shù)就是1us，取20時(shí)的超聲波傳輸速度v=344m/s,則d=(vt)/2=344t/2=(172T,0,/10,6,)m=(172T,0,/10000)cm,其

10、中T,0,為中斷T,0,的計(jì)數(shù)值。,測(cè)出距離后，結(jié)果以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5S，然后再發(fā)出超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量。,主程序流程圖如下：,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),開(kāi)始,系統(tǒng)初始化,發(fā)送超聲波脈沖,等待反射超聲波,計(jì)算距離,顯示結(jié)果,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),3.超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序,超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送兩個(gè)左右的超聲波脈沖信號(hào)（頻率約40KHZ的方波），脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語(yǔ)言程序編程。,超聲波測(cè)距主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回的超聲

11、波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入超聲波接收中斷程序。進(jìn)入該中斷后，就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0，停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦1。,如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2，表示本次測(cè)距不成功。,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),4. C程序代碼,/*-,超聲測(cè)距器單片機(jī)程序,MCU AT89C51 XAL 12MHz,-*/,#include ,#define uchar unsigned char,#define uint unsigned int,#define ulong unsigned long,extern void cs_

12、t(void);,extern void delay(uint);,extern void display(uchar*);,data uchar testok;,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),/*主程序*/,void main(void),data uchar dispram5;,data uint i;,data ulong time;,P0 = 0xff;,P2 = 0xff;,TMOD = 0x11;,IE = 0x80;,while (1),cs_t();,delay(1);,testok = 0;,EX0 = 1;,ET0 = 1;,while (!testok) display(disp

13、ram);,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),if (1 = testok),time = TH0;,time = (time8) | TL0;,time *=172;,time /= 10000;,dispram0 = (uchar) (time % 10);,time /= 10;,dispram1 = (uchar) (time % 10);,time /= 10;,dispram2 = (uchar) (time % 10);,dispram3 = (uchar) (time / 10);,if (0 = dispram3) dispram3 = 17;, else,dispram0 = 16;,

14、dispram1 = 16;,dispram2 = 16;,dispram3 = 16;,for (i=0; i300; i+) display(dispram);,/,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),/*超聲接收程序（外中斷0）*/,void cs_r(void) interrupt 0,TR0 = 0;,ET0 = 0;,EX0 = 0;,testok = 1;,/*超時(shí)清除程序（內(nèi)中斷T0）*/,void overtime(void) interrupt 1,EX0 = 0;,TR0 = 0;,ET0 = 0;,testok = 2;,五、遇到的問(wèn)題以及解決辦法,1. 當(dāng)把硬件電路連接好后，接到電

15、源，發(fā)現(xiàn)LED燈不亮。LED燈不亮的原因有以下幾個(gè)：,單片機(jī)不工作,LED顯示模塊的硬件電路設(shè)計(jì)有問(wèn)題,LED顯示模塊的硬件電路連線有問(wèn)題,故障排查：,單片機(jī)不工作。先檢查AT89C52單片機(jī)的電源線和地線是否接好，發(fā)現(xiàn)接線無(wú)誤。再看晶振電路是否工作，仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)晶振有一個(gè)引腳接錯(cuò)，改正后發(fā)現(xiàn)，通電后晶振一端出現(xiàn)50HZ的正弦波，且ALE端出現(xiàn)方波，表示單片機(jī)正常工作。LED可以顯示了，但是顯示全部是8888,。,五、遇到的問(wèn)題以及解決辦法,LED顯示模塊的硬件電路設(shè)計(jì)有問(wèn)題,解決辦法：軟件仿真,在LED顯示模塊的proteus仿真文件中添加如下程序代碼的hex文件，仿真后可以看到LED被點(diǎn)亮

16、。,LED模塊調(diào)試代碼,ORG 0000H,AJMP 0030H,ORG 0030H,MOV P2,#00H,；,P2,端全部送低電平，經(jīng)過(guò)三極管,9012,后，位選端為高電平,MOV P0,#00H,；,P0,端全部送低電平，段選全部為低電平，使,LED,全部點(diǎn)亮,END,LED,模塊調(diào)試代碼調(diào)入后得到仿真效果如下：,五、遇到的問(wèn)題以及解決辦法,LED,模塊調(diào)試代碼調(diào)入后得到仿真效果,五、遇到的問(wèn)題以及解決辦法,LED顯示模塊的硬件電路連線有問(wèn)題,由于單片機(jī)正常工作后，4位共陽(yáng)LED能夠全部點(diǎn)亮；而且LED顯示模塊的軟件仿真成功，說(shuō)明LED顯示模塊的硬件電路連線沒(méi)有問(wèn)題。至此，LED顯示模塊

17、的故障被排除。,五、遇到的問(wèn)題以及解決辦法,2.LED全部顯示8888的問(wèn)題,把HEX程序燒進(jìn)單片機(jī)后，連接電源，發(fā)現(xiàn)LED全部顯示8888?？赡苁荘0口沒(méi)有接上拉電阻(上拉電阻的阻值一般在1K-10K之間)。因?yàn)椤皬腜0口輸出時(shí)，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出?！保ㄒ?jiàn)單片機(jī)課本p20）。如果P0口不接上拉電阻，那么段選一直是低電平，而采用的是數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)掃描，看上去，位選端相當(dāng)于一直高電平，即：數(shù)碼管一直點(diǎn)亮。因此，如果LED全部顯示8888，那么在P0口加上上拉電阻或許可以解決問(wèn)題。,前后分別做了兩個(gè)板子，第一個(gè)板子出現(xiàn)LED全部顯示8888的問(wèn)題，再加上電路布線不夠合理，不夠美觀，于是

18、換了一塊板子重新焊接。但是第2塊板子焊好后，又發(fā)現(xiàn)單片機(jī)不能正常工作了。檢查別人正常電路上的單片機(jī)的晶體振蕩器，觀察晶振兩個(gè)腳上的波形，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)腳上是50HZ的正弦波，另一個(gè)腳上出現(xiàn)類似正弦波的波形，但是有少量諧波成分。但是檢查我們自己的晶振，發(fā)現(xiàn)一端是50HZ的正弦波，但是另一端出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的雜波，另外ALE端也沒(méi)有出現(xiàn)方波。P1.0口（輸出到超聲波發(fā)射電路）也沒(méi)有輸出40KHZ的方波。說(shuō)明單片機(jī)沒(méi)有正常工作。,五、遇到的問(wèn)題以及解決辦法,3.晶振不能正常工作的問(wèn)題,接線時(shí)，盡量使晶振電路靠近單片機(jī)。晶振正常工作時(shí)，一端可以檢測(cè)到50HZ的正弦波，另一端類似正弦波，但是有少量的諧波成分。,

19、五、遇到的問(wèn)題以及解決辦法,4.復(fù)位電路,LED不能正常顯示，可能是復(fù)位電路出問(wèn)題。如果復(fù)位開(kāi)關(guān)一直導(dǎo)通，則LED可能不亮。檢查復(fù)位開(kāi)關(guān)是否短路即可。,六、總結(jié),遇到不懂的問(wèn)題，應(yīng)該虛心向別人請(qǐng)教。,不要盲目相信課本。例如，書(shū)上的原理圖上,P0,口沒(méi)有接上拉電阻，而實(shí)際上,P0,口一般都要接上拉電阻。本實(shí)驗(yàn)中，,P0,口不接上拉電阻的后果是,LED,一直顯示,8888,。另外，書(shū)上說(shuō)可以用,74LS244,驅(qū)動(dòng),LED,的斷碼，而,74LS244,芯片在本實(shí)驗(yàn)中的作用就是輸入等于輸出，并沒(méi)有用到鎖存功能，所以為了簡(jiǎn)化電路，可以省掉,74LS244,。,接線應(yīng)該細(xì)心。特別是一些芯片的電源線和地線容易出問(wèn)題。,多調(diào)試。包括軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。如果一個(gè)功能模塊電路出現(xiàn)問(wèn)題，先用軟件仿真，看看電路設(shè)計(jì)是否有誤；若無(wú)誤，則檢查硬件電路的連線是否有問(wèn)題；如果沒(méi)有問(wèn)題，再進(jìn)行硬件仿真，看看是不是程序的問(wèn)題。一個(gè)模塊一個(gè)模塊地排查，就可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。,如果多次檢查仍不能解決問(wèn)題，也不要盲目地?fù)Q電路，重頭開(kāi)始。耐心地調(diào)試，一步一步排查錯(cuò)誤，總能找到問(wèn)題的癥結(jié)；不僅最后能解決問(wèn)題，還能學(xué)到很多實(shí)際操作的方法和經(jīng)驗(yàn)，這都是在課本上學(xué)不到的。,Thank You !,