检测与转换技术B课程综合练习总结报告.doc

1、一丶项目研究内容：超声波测距装置其功能：此装置能够测量出装置（超声波发射点）与障碍物之间的距离, 并通过4位LED数码管显示出装置与障碍物之间的距离（单位为mm）。 测试原理：采用两个超声波探头分别进行超声波的发射和接收，通过超声波发射探头向某一方向发出超声波，在发射的同时开始采用计时器计时，超声波在空气中传播，途中若碰到障碍物就会立即返回来，超声波接收器一旦收到反射波就停止计时器，读出时间t。(超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即:s=340t/2)。在测距的时候。本系统利用一片89c52单片机对超声波信号循环不断地进行采

2、集。系统包括超声波测距单元（超声波集成模块）、89c52单片机控制、蜂鸣器报警模块和数码管显示模块。这个设计能够连续测距，数据经过单片机的处理后，用4位数码管显示所测量得到的距离，若计时器溢出，或距离超过2500mm，蜂鸣器会发出鸣叫声进行报警。二丶设计方法：在测距的时候。本系统利用一片89C52单片机作为控制中心，通过单片机其中的一个I/O口对超声波发射器进行控制，（I/O口为高电平时，触发超声波发射电路发出超声波）,此时在另一个单片机I/O端口等待信号的返回（若有信号返回则此端口为低电平）。信号循环不断地进行采集。系统包括超声波测距单元（超声波集成模块）、89c52单片机控制、蜂鸣器报警模

3、块和数码管显示模块。这个设计的汽车倒车雷达要能够连续测距，数据经过单片机的处理后，用4位数码管显示所测量得到的距离，若计时器溢出，或距离超过2500mm，蜂鸣器会发出鸣叫声进行报警。HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能， 测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M

4、/S)/2;所设计出来的超声波测距系统各模块如下图1所示超声波接受器检波电路52单片机超声波发射器放大电路放大电路报警系统显示模块图1三设计过程3.1单片机最小系统单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础，单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统。对于89c52单片机，由于片内已经自带有了程序存储器，所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成了单片机的最小系统了。单片机的最小系统如图2所示。图2 单片机最小系统原理图3.2 超声波发射和接收电路设计超声波是一种振动频率超过20 kHz的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质

5、中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波。由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面。而且，超声波的测量是一种比较理想的的非接触式的测距方法。当进行距离的测量时，由安装在同一水平线上的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，并且同时启动定时器进行计数。首先由超声波发射探头向前方发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在空气中传播的途中一旦遇到障碍物后就会被反射回来，当接收探头收到反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时。这样，定时器就能够准确的记录下了超声波发射点至障碍物之间往返传播所用的时间t（s）。由于在常温下超声波在空气中的传播速度大约

6、为340 m/s，所以障碍物到发射探头之间的距离为：S=340t/2=170t 3.2.1 超声波发射电路设计超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，超声波发射电路如图3所示。工作时，由单片机产生40 kHz的脉冲从P0.1口向超声波的发射电路部分发出信号，再经74LS04放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。图33.2.2 超声波接收电路设计由于超声波在空气中的传播过

7、程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻

8、对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。超声波接收电路如图4所示。图43.2.3 HR-SR04超声波集成模块HR-SR04超声波集成模块是将超声波发射探头，超声波接收探头，CX20106A芯片电路，74LS04芯片放大电路集成到的一起的一个超声波集成模块。HR-SR04超声波集成模块正面外观如图5所示，HR-SR04超声波集成模块的背面外观如图6所示。图5图63.3 显示报警模块设计3.3.1 数码管显示模块

9、设计发光二极管的缩写是LED，在每个数码管里面都有8只发光二极管，它们分别记作a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp是小数点，每一只发光二极管都有一根电极引到外部的引脚上，而另外一只二极管的引脚就连接在一起同样也引到外部引脚上，此引脚就记作公共端COM。市面上常用的LED数码管有两种即共阳极数码管与共阴极数码管。共阳极是数码管里面的发光二极的阳极接在一起作为公共引脚即公共阳极，在使用时此公共引脚接到电源正极。相反，共阴极就是数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚即公共阴极，在使用时此引脚接到电源负极。单片机对数码管的显示可以分为静态显示和动态显示，静态显示能够稳定地显示数值，但是

10、搭建电路时比较烦索，而动态显示是数码管轮流显示再利用人眼的“视觉暂留”特性，这样看出来的就是在显示不同数值。数码管的动态显示比较实用，电路构建简单，所以本设计采用动态扫描的方法显示测量距离，只要轮流显示的速度足够快的时候就能够实现测量数值的显示。显示模块选用4位共阳极数码管进行动态扫描，此扫描方式能完全达到显示要求。显示模块连接电路图如图7所示。 图73.3.2 报警模块设计报警模块通过单片机给定低电平使蜂鸣器发出声音。报警模块电路图如图8所示。图834 系统整体电路根据本章前面对设计的各个相关模块的分别讲述讲述，再结合单片机的引脚功能，从而得到系统整体电路图，如图9所示。图9四系统测试如图1

11、0所示,一块地板砖的实际距离为60cm，也就是600mm，如图11显示为563mm。误差为37mm。图10图11五结果分析本系统在设计和数据的计算过程中无可避免地会产生一定的误差，以下对可能产生误差的原因进行分析：（1）环境的温度所引起的误差环境温度的影响是本设计在不同的温度条件下测量数据存在误差的主要原因，根据有关资料，在当温差较大时，前后两次测距的误差肯定前后相差也比较大。而本设计中并没有温度补偿模块，主要是本设计做为倒车雷达使用对精确的距离的要求不是很高主要是起到警报的作用而已，所以本设计并没有采用温度补偿模块进行设计。 （2）不同障碍物表面材料的不同介质引起的误差因为表面粗糙的障碍物介

12、质要比光滑介质的测量结果要差，如果障碍物的发射面比较粗糙会引起发射信号散射开那么回波信号就会减弱，这样就会导致测量结果的误差增大。（3）超声波模块的感应角的影响两个超声波探头即发射探头和接收探头和障碍物之间存在一个几何角度，反射波入射到探头存在一定的角度，当这个角度过大时，这就会造成测量较大的误差，或者说根本接收不到回波信号。特别是在障碍物的距离较小的时候这个误差就成为了距离测量的主要误差的原因，但是这种误差是可以尽量减小的，利用发射能力强、散射小的探头，或者多用几个探头。 （4）余波信号的影响在测量时有一部分的声波是从发射探头直接转收到接收探头的，这部分声波即是余波信号，这种余波对测量的干扰

13、是挺大的。但是这种干扰能够通过别的方法进行处理，比如软件算法的方法去消除直达波的干扰。当芯片收到信号波时自动判定收到的超声波信号是发射的声波衍射而返回来的信号时就会自动忽略掉，继续去等待检测在这个工作周期内是否有有效反射波反射回来，如果有就进行处理，没有就进行新的一次测量。项目资金使用说明序号元件名称元件规格型号数量单价1常用轻触按键包轻触开关（含35个）11.192电解电容包12种值电解电容（每种10个）14.53瓷片电容包30种常用（每种10个）164电阻10欧（10个）11.25电阻2K（100个）11.446电阻1k（100个）10.947电阻220k（100个）11.448三极管PN

14、P s9012100.059直插晶振12M20.1610插座14PIN20.111插座16pin20.112插座40PIN20.211374LS0414pin23.17144位数码管共阳极12pin21.815分体超声波收发器两个一对25.4716超声波接收芯片CX2010621.4217单片机STC89C52RC 40pin23.818面包板专用电源兼容5V 3.3V23.0819蜂鸣器5V20.42051单片机最小系统STC89C52RC 40pin22.6621排插针40pin10.0622杜邦线40根12.623万用板9*15cm20.68共计66.73 (注：如果使用的是实验室已有的

15、电子元件，仅需标明元件名称、规格型号，不必标注单价。)项目参加人员分工及工作量分配比例（%）项目参加人员项目中主要负责的工作完成项目工作量的比例(%)X元器件的购买和焊接，总结报告20%X89C52单片机编程,PPT制作20%X超声波发射电路模块15%XPPT汇报15%X超声波接收电路模块15%X报警电路模块以及系统测试误差分析15%项目完成人对项目实施情况的说明 本项目设计研究工作已经按计划完成。现提交项目总结报告及相关研究成果，申请结项。 项目完成人（签字）： 年 月 日 项目指导教师意见 该项目研究工作已经按计划完成。同意申请结项。 项目综合评分： 项目指导教师（签字）： 年 月 日 学院学术委员会意见 负责人（签字）： 公章： 年 月 日 12