超聲波測距器的設(shè)計(jì)

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Company Logo,*,Click to edit Master title style,超聲波測距器的設(shè)計(jì),一、功能要求,超聲波測距器可應(yīng)用于汽車倒車。建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度、物體厚度等的測量。其測量范圍為0.104.00m，測量精度為1cm。測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰、穩(wěn)定地顯示測量結(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)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能達(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，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成。超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下：,二、方案論證,超聲波測距系統(tǒng)框圖,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,超聲波檢測接收電路,3,硬件電路主要分為以下三個部分：,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)定的時鐘頻率，并減小測量誤差。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，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管驅(qū)動。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),復(fù)位電路的原理：只有在RST端給它24個時鐘周期，才能讓它復(fù)位。當(dāng)按下開關(guān)時，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個時鐘周期要求，于是RST復(fù)位。此電路同時也是自動上電復(fù)位的，當(dāng)電容開始充電、放電時，RST端的電壓便隨之變化，電壓由低到高，再由高到低，時間能夠滿足24個時鐘周期，故而RST能夠復(fù)位。,晶振電路的原理：晶振兩端各接一個無極性電容，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LED的一邊是段選端，一邊是位選端。同名段選端各自相連，然后7位段選端口接到P0口，位選端接到P2口。通過位選可以控制每一個LED亮，通過段選端可以控制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。在位選端加一個高電壓，段選端加一個低電壓，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方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射速度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。兩個上拉電阻一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力；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，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它是一個超聲波發(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，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖所示。實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A接收超聲波（無信號的輸出高電平）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力。,超聲波檢測接收電路,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),超聲波測距器的軟件設(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語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時），又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。下面對超聲波測距器的算法。,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),1. 超聲波測距器的算法設(shè)計(jì),距離計(jì)算公式：d=s/2=(vt)/2,其中d是被測物與測距器的距離；s是超聲波的來回路程，v是超聲波在當(dāng)前溫度下的速度，t是發(fā)送和接收超聲波所經(jīng)歷的時間。,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),超聲波測距器原理圖,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),主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器工作模式為16位定時、計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并對顯示端口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后才打開外中斷0，接收返回的超聲波信號。,由于采用12MHZ晶振，計(jì)數(shù)器每記一個數(shù)就是1us，取20時的超聲波傳輸速度v=344m/s,則d=(vt)/2=344t/2=(172T,0,/10,6,)m=(172T,0,/10000)cm,其中T,0,為中斷T,0,的計(jì)數(shù)值。,測出距離后，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)測量。,主程序流程圖如下：,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),開始,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P1.0端口發(fā)送兩個左右的超聲波脈沖信號（頻率約40KHZ的方波），脈沖寬度為12us左右，同時把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運(yùn)行時間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言程序編程。,超聲波測距主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回的超聲波信號（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)時器T0，停止計(jì)時，并將測距成功標(biāo)志字賦1。,如果當(dāng)計(jì)時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2，表示本次測距不成功。,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),4. C程序代碼,/*-,超聲測距器單片機(jī)程序,MCU AT89C51 XAL 12MHz,-*/,#include ,#define uchar unsigned char,#define uint unsigned int,#define ulong unsigned long,extern void cs_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(dispram);,四、 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),if (1 = testok),time = TH0;,time = (time<<8) | 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;,dispram1 = 16;,dispram2 = 16;,dispram3 = 16;,for (i=0; i<300; 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、遇到的問題以及解決辦法,1. 當(dāng)把硬件電路連接好后，接到電源，發(fā)現(xiàn)LED燈不亮。LED燈不亮的原因有以下幾個：,單片機(jī)不工作,LED顯示模塊的硬件電路設(shè)計(jì)有問題,LED顯示模塊的硬件電路連線有問題,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)晶振有一個引腳接錯，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、遇到的問題以及解決辦法,LED顯示模塊的硬件電路設(shè)計(jì)有問題,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。,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、遇到的問題以及解決辦法,LED顯示模塊的硬件電路連線有問題,由于單片機(jī)正常工作后，4位共陽LED能夠全部點(diǎn)亮；而且LED顯示模塊的軟件仿真成功，說明LED顯示模塊的硬件電路連線沒有問題。至此，LED顯示模塊的故障被排除。,五、遇到的問題以及解決辦法,2.LED全部顯示8888的問題,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，必須外接上拉電阻才能有高電平輸出?！保ㄒ妴纹瑱C(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題。,前后分別做了兩個板子，第一個板子出現(xiàn)LED全部顯示8888的問題，再加上電路布線不夠合理，不夠美觀，于是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，觀察晶振兩個腳上的波形，發(fā)現(xiàn)其中一個腳上是50HZ的正弦波，另一個腳上出現(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)無規(guī)律的雜波，另外ALE端也沒有出現(xiàn)方波。P1.0口（輸出到超聲波發(fā)射電路）也沒有輸出40KHZ的方波。說明單片機(jī)沒有正常工作。,五、遇到的問題以及解決辦法,3.晶振不能正常工作的問題,接線時，盡量使晶振電路靠近單片機(jī)。晶振正常工作時，一端可以檢測到50HZ的正弦波，另一端類似正弦波，但是有少量的諧波成分。,五、遇到的問題以及解決辦法,4.復(fù)位電路,LED不能正常顯示，可能是復(fù)位電路出問題。如果復(fù)位開關(guān)一直導(dǎo)通，則LED可能不亮。檢查復(fù)位開關(guān)是否短路即可。,六、總結(jié),遇到不懂的問題，應(yīng)該虛心向別人請教。,不要盲目相信課本。例如，書上的原理圖上,P0,口沒有接上拉電阻，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，書上說可以用,74LS244,驅(qū)動,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，并沒有用到鎖存功能，所以為了簡化電路，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題。,多調(diào)試。包括軟件調(diào)試和硬件調(diào)試。如果一個功能模塊電路出現(xiàn)問題，先用軟件仿真，看看電路設(shè)計(jì)是否有誤；若無誤，則檢查硬件電路的連線是否有問題；如果沒有問題，再進(jìn)行硬件仿真，看看是不是程序的問題。一個模塊一個模塊地排查，就可以發(fā)現(xiàn)錯誤。,如果多次檢查仍不能解決問題，也不要盲目地?fù)Q電路，重頭開始。耐心地調(diào)試，一步一步排查錯誤，總能找到問題的癥結(jié)；不僅最后能解決問題，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 !,