基于单片机的超声波传感器测距系统.doc
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1、目录第一章 绪论41.1 课题研究目的的意义41.1.1我国的内河航运概况41.2防撞装置设计的主体思路5第二章 超声波测距原理62.1 超声波概述62.2 超声波传感器72.3 超声波探测盲区问题及改进方案82.4 超声波测距的原理及实现82.5 超声波测距误差分析92.6 超声波测距系统10第三章 系统硬件电路设计123.1 单片机AT89C51硬件介绍12193.2 发射与接收电路设计193.3 显示报警单元设计233.3.1 系统显示电路设计233.3.2 系统报警电路设计243.4 复位电路27考虑本设计结构简单,干扰小,故采用上电自动复位。28第四章 系统软件实现314.1 主程序
2、314.1.1 40KHz脉冲的产生与超声波发送314.1.2 超声波的接收与处理324.1.3 数据读取和储存334.1.4 计算超声波传播时间334.2 显示子程序和蜂鸣报警程序33参考文献.35感谢信.36 摘 要在我国经济飞速发展的今天,内河航运以及海上运输都发展越来越快,航道越来越多,船舶吨位越来越大,但安全始终作为我国经济发展中最为重视的环节。因此船舶防撞装置的研究也随之诞生了。本文介绍了一种基于单片机的超声波传感器测距系统,利用模拟电子技术、数字电子技术、微机接口技术、以及超声波相关的各种知识,采用以CT89C51单片机为核心的硬件电路以及相应的控制软件设计出了系统的总体方案,最
3、后通过硬件、软件的调试实现了各个功能模块。关健词:超声波;传感器;CT89C51。 ABSTRACTIn Chinas rapid economic development today, inland river shipping and maritime transport have developed more and more fast, more and more channels, more and more large tonnage ships, but safety is as important links for the economic development of ou
4、r country. So study of ship collision avoidance device was born.This paper introduces a kind of ultrasonic ranging system based on single chip, using the analog electronic technology, digital electronic technology, computer interface technology, and the ultrasonic range of knowledge, the hardware ci
5、rcuit with CT89C51 single chip as the core and the corresponding control software design the overall scheme of the system, and finally through the debugging of hardware, software realization each function module.Key words: Ultrasonic; Transducer; CT89C51第一章 绪论1.1 课题研究目的的意义1.1.1我国航运的发展现状 我国是一个内陆河流资源丰
6、富的国家,拥有众多的天然河流以及众多可通航的大小湖泊;我国同样是一个海上航运资源丰富的国家,我国大陆海岸线北起中朝边境的鸭绿江口,南至中越边境的北仑河口,在万里海岸线上,分布着各种丰富的资源。其中以经济发达、人口比较稠密的地区通航的河流居多,而且绝大部分都由西向东入海,非常利于实行河海联运。此外中国又是世界海洋国家之一,有很长的海岸线和很多港湾,特别是横贯东西几条主要的大江大河入海口,对于建立富于经济价值的河口港有极大的地理优势。1.1.2航运的发展及存在的隐患 运输体系以水路为主、铁路为主、公路为主以及以综合运输为主的发展过程 ,是近现代世界各各国家交通运输发展大都经历过的发展历程。在经历了
7、铁路、公路充分发展后,现如今内河航运、海上运输都越来越受到世界各各国家的重视。在改革开放以前,重工业优先发展是我国主要的战略策略,交通运输又是工业发展的首要条件,特别需要拥有大运输能力并且价格低廉的运输体系,为此我国优先选择发展了铁路和水路运输。但是1978年我国实施改革开放以后,商品结构和产业发展方向都有所改变,逐步趋于小、短、薄、轻化,多品种、高附加值和小批量化,因此公路运输和航空运动得到了迅猛的发展,而铁路运输和水路运输在运输行业中所占的比例明显有所下降。进入21世纪后,经济形式又发生了变化,逐渐成为“重工业化”,为此航运再次引起了人们的注意,再次得到更快的发展。 我国工业资源相对比较贫
8、乏,需要从外国进口很大比例的工业资源。重化工业很多又是耗能巨大、耗水量高、运输量巨大、吞吐量巨大,因此将重化工业建设在靠近大江大河大湖的地方,既可以解决其用水的问题;又可以依靠内河航运运输原材料,既降低了运输成本,又提高了其市场的竞争力;又解决了以陆地交通来发展重化工业所带来的大量土地占用问题,节约大量土地资源。因此,水网地区、大江大河流域是除沿海地区以外,最适合发展重化工业的地区。所以我国应该更进一步的树立围绕大江大河大湖、依靠丰富的内河航运资源来发展制造业、重化工业的战略目标,充分利用内河资源优化工业布局,从而带动我国中西部地区经济发展,推动各区域经济协调发展。 占地最少、投资最省、污染最
9、小、运输成本最低和节能最好是内河水运与铁路、公路等运输方式相比最明显的优势,因此世界各国都在争相开发。目前,中国内河水运虽然发展的还不错,但同时也面临着很多新的发展机遇和严峻挑战。影响水运发展最关键的几个因素应该是基础设施相对比较薄弱,设备技术水平仍然比较落后。和其它运输方式相比,水运发展相对滞后;同发达国家相比,仍有较大的差距,还远远不能满足国民经济及社会发展的要求。如果想要建设节约型社会,仍需大力发展内河航运。但是随着内河航运的大力发展,航道越来越多,船舶吨位越来越大,而安全问题又始终作为我国经济发展中最为重视的环节,因此船舶防撞装置的研究也随之诞生了。1.2防撞装置设计的主体思路基于51
10、单片机的船舶防撞检测装置,主要由外部测距系统、单片机内部系统以及报警系统等组成。该设计最重要的部分为外部测距系统。随着科技的发展,测距的方式也越来越多,例如,微波测距,红外线测距,激光测距和超声波测距等。其中,超声波测距是一种相对简单和可行的方法。图1-1 系统硬件方框电路图 超声波是一种震动频率高于声波的机械波,它的基本特征是波长短,频率高,方向性好,能成为射线定向传播,绕线现象小等。超声波在传输时能量消耗缓慢,而且具有很强的指向性,在介质中传播的距离远,因此超声波经常被运用到距离的测量中。利用超声波测距的优点是比较方便,迅速,易于做到实时控制,计算简单,测量精度一般都能达到工业实时要求,因
11、此在很多领域都得到了广泛的应用。第二章 超声波测距原理2.1 超声波概述超声波也是一种机械波,只是它的频率一般超过 20kHz 。虽然频率高,但它还是一种声波。还是具备声波的各种特性。另外超声波还具自己特有的一些性质:1 超声波的束射性:由于超声波频率很高,所以方向性就相对要强,方向性即柬射性。当超声波发生体压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时,则晶体所产生的超声波就类似于光的特性,也就是方向性好。超声波声束能集中在特定的方向上,在介质中沿直线传播,具有良好的指向性。 2 能量大:声强与振幅,质点震动频率的关系I=1/2CA22,相同振幅条件下,能量与频率的平方正比。由于频率很高,所以具有很大
12、的能量。超声波在介质中传播过程中,会发生衰减和散射。 3 透射、反射和折射:在两种不同媒质的分界面上,会出现类似于光线一样的透射、反射和折射现象,普通声波也有此性质。超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。超声波在固体中的传输损失很小,探测深度大,由于超声波在异质界面上会发生反射、折射等现象,尤其是不能通过气体固体界面。超声检测是往简单了说就是一门检测技术。由于超声波在不同介质中都能传播,而且在不同介质中的传播速度等都不一样,所以可以利用这一点来探测测量物体。超声波检测在工业、航空航天、国防、医疗、电力、机械、石化等众多领域都有得到广泛应用,能够保证产品的质量和安全是它得以广泛应用
13、一大重要原因,另外它还可起到降低成本、节约能源的作用。超声波检测与电磁波、射线、光波等检测相比,其最大的优势就是穿透力强,差不多可以在所有物体中传播,从而可以洞悉被测物体的内部结构,随着科技的发展,数字信号处理技术、通信技术、计算机技术等都发展迅速,很多东西都在以前的技术上有所突破,超声波的产生和接收等技术也取得了突破性的进展,使得超声检测突破了常规限制,从使其运用范围得到进一步的拓展。2.2 超声波传感器传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术,计算机技术相当于人的大脑,通信相当于人的神经,而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度
14、传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等,其中,超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且测量精度较高。通俗了讲,超声传感器就是一种能量转换器。它可以将其他形式的能转变为所需频率的超声能,也可以把超声能转变为同频率的其他形式的能。常用的超声传感器有两大类:流体动力型和电声型。流体动力型包括气体哨笛和液体哨笛两种。电声型主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器和静电传感器。由于工作频率和应用目的不同,超声传感器的结构形式各不相同,并且名称也大都不一样,例如在诊断和超声检测中大都把超声传感器称作探头,而在工业中所用的流
15、体动力型传感器大都称为“哨”或“笛”。压电传感器是一种电声的超声波传感器。该探头包括一个楔子连接器,压电晶片,超声波探伤是比较常用的,实施的能量和传感器之间的部件的声能转换,它是超声波检测装置的重要组成部分。 压电晶片是传感器的主要组成部分。当压电晶片接受超声波作用时,晶片受迫振动会引起形变,并且转换成相应的电信号,这是正压电效应。当发射电脉冲激励压电晶片后产生振动,便可发射声脉冲,这是逆压电效应。正压电效应用于超声波的接收,逆压电效应用于超声波的发射。一般的超声波传感器都采用双压电陶瓷晶片制成,它耗费的压电材料比较少,而且价格便宜,还很适用于液体和气体介质中。根据压电效应,晶片产生机械变形的
16、原理就是,在压电陶瓷上加上方向和大小不断变化的交流电压,并且其变形的方向和大小在一定范围内与外加电压的方向和大小成正比。换句话说,如果想要压电陶瓷晶片产生频率为f0的机械振动,就要在它上面加上同等频率的电压,电压使陶瓷晶片产生机械振动,从而动推动空气等媒介振动,便会发出超声波。同样如果在压电陶瓷晶片上加有超声机械波作用,便会使其产生机械变形,其机械变形是与超声机械波一致的,机械变形就会使压电陶瓷晶片上产生频率与超声机械波频率相同的电信号。图2-1 压电式超声波传感器结构图压电式超声波发生器的工作原理是压电晶体的谐振,图2-1为超声波发生器内部结构,它主要是由两个压电晶片和一个共振板组成。超声波
17、产生的原理是:当电极的两极外加脉冲信号的频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,便会产生超声波。反之,不给电极外加电压,而是让共振板接收到超声波时,共振板将压迫压电晶片作振动,从而将机械能转化为电信号,这时它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片都有一个自己固定的谐振频率,即中心频率f0。发射超声波时,要想超声传感器具有较高的灵敏度,必需使加在其上面的交变电压的频率与它的固有谐振频率一致。电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网是构成超声波传感器的内部主要结构,其核心是压电陶瓷晶片,锥形辐射喇叭能够集中发射和接收超声波的能量,并使传感器不只是单方向的而是
18、有一定的指向角,金属壳和金属网都是起保护作用的,可以防止外界力量损坏压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭,但不会影响超声波的发射与接收。2.3 超声波探测盲区问题及改进方案由于单个传感器都有一个水平探测角,角度约为6070,而大多数防撞雷达的超声波传感器每一组由23个组成,这样就会造成23个水平盲区。而增加传感器的个数不但解决不了问题,反而增加了成本,而且使得故障率提高了。探测盲区改进方案:对于超声波传感器数量不多的系统,加大超声波传感器探测角度是其中的一种改进方法,可是随着角度的加大又有新的问题产生,假使显示距离a=b,若目标的实际距离是正确的,但另一目标偏离超声波传感器轴线较多,从而会形成较大的误差
19、(实际距离小于探测距离),这样就会给驾船者造成误导。不过可以用加大报警值来解决这一问题,就是本来当探测距离小于某数值时就需要报警,但是我们人为的将这一数值设定大一点。这样,虽然实际距离不等于报警值,只要探测距离小于报警值,就会立即报警。假设报警值取0.5m,探测角度增大到110,当目标探测距离为1m时就会报警,而此时的实际距离为0.58m,是不会出现安全问题的。如果将报警值设得更高,安全性当然也会更高。2.4 超声波测距的原理及实现以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便,而且测精度能达到工业要求。通过超声波发射器向某一方向发射超声波,单片机在发射时刻同时开始计时,超声波在空气中传播,途中
20、碰到障碍物就立即反射回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为V,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。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波,在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器,利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时,接收电路输出端产生一个负跳变,在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号,单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序,读取时间差,计算距离,结果输出给LED显示。根据超声测距的原理
21、,可将其分为共振式、脉冲反射式两种。在本系统中使用脉冲反射式更好,即利用超声波遇到障碍物后的反射特性。发射传感器向特定方向发射声波时,此时开始计时,波在介质中传播,传播过程中如果碰到阻碍物,波会即刻反射回来,接收器接受到反射回来的播就会停止计时,上述是一种声波测距离的方法。 超声波在空气中的传播速度为一个定值C=340m/s,计时器记录了超声波发射到接受的时间 t,根据公式 S=C*t/2=C*t0, (3-1)就可以计算出障碍物和超声波发射点之间距离(S),其中,t0 称之为渡越时间。可以看出超声波测距主要流程如下表:1供应电能的脉冲发生器(发射电路)2使接收和发射隔离的开关部分3转换电能为
22、声能,且将声能透射到介质中的发射传感器;4接收反射声能(回波)和转换声能为电信号的接收传感器5接收放大器,可以使微弱的回声放大到一定幅度,并使回声激发记录设备6记录/控制设备,通常控制发射到传感器中的电能,并控制声能脉冲发射到记录回波的时间,存储所要求的数据,并将时间间隔转换成距离. 表2-1 超声波测距流程表 发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐电路中有调谐线圈(有时装在探头内),谐振频率由调谐电路的电感、电容决定,发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件,发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定,频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端,使其震动发出
23、超声。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40KHz,这样才能使其工作在谐振频率,达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一个发射传感器而言,电压越高,发射的超声功率就越大,这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大,对于接收电路的设计就相对简单一些。但是,每一个实际的发射传感器有其工作电压的极限值,即当工作电压超过了这个极限值之后,会对传感器的内部电路造成不可回复的损害。因此,工作电压不能超过这个极限值。同时,发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小,发射强度大,仪器分辨率低,适宜于探测厚度大,对分辨力要求不高的
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