全天候全方位超声波测速测距仪

工程实践报告项目名称：全天候全方位超声波测速测距仪项目编号:C2指导教师：盛佳南专业:应用物理年级：2011级团队成员:2011033039李翔2011033042王一钱2011033017宋伟博2011033018李强军二〇一四年六月-1-工程实践报告一、超声波测距原理目前，非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及及应用，在某些应用领域有其局限性，一般仅用于军事工业。相比之下，超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响对外界光线、色彩和电磁场不敏感，更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境，在识别透明及漫反射性差的物体上也有优势。所以超声波测距在各种场合均得到广泛应用，如倒车防撞雷达、海洋测量、物体识别、工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别。超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响，故本系统采用超声波超声波渡越检测时间检测法。其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。传播到接收器的时间，即渡越时间。该距离的计算公式如下：d=s/2=vt/2其中：d为被测物体与测物的距离，s为来回声波的路程，v为声速，t为声波来回的时间。为了提高精度，需考虑不同温度下超声波在空气中不同温度变化下关系：v=334.1+0.01t基于这种思想，本次设计中便来探讨超声波测距方法的设计。-2-二、各器件原理及其作用此类超声波测距是以单片机STC89C52为核心，其发射击端主要是用三极管反相推挽来实现，电路较为简单，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，超声波在空气中传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点障碍物的距离s，s=340xt/2。即在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始的同步；当接收信号的最后一个脉冲到来后计数器停止计数。各单元模块的联接此次超声波电路设计中，是以单片机为核心的。先由单片机给发射电路一个超声波信号，当发射电路发出一个信号以后，再由接收电路来接收发射回来的信号，由于在此时，要判断是否接收到信号，因此要设计一个中断，故要和单片机的into口相连接。在超声波接收回来后，由于超声波的速度要随温度的变化而变化，故要进行温度补偿，在p1口与温度检测电路相连接。故收到信号后，单片机再将处理后的数据送去显示，即要与显示电路相连接。-3-1、单片机STC89C52STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。-4-2、超声波发射模块本系统利用软件产生40KHZ的超声波信号，经过一个三极管反相和两个三极管推挽放大驱动后输出，通过单片机I/O口相连，来实现超声波的发出。-5-超声波发射模块仿真图超声波发射模块仿真波形图-6-3、超声波接收模块接收电路模块设计由于超声波在空气中传播，其能量会随传输距离的增大而减小。从远距离障碍物反射的回波信号一般比较弱，所以在设计设计超声波接收电路时，要有较大的放大倍数；为减小环境噪声对回拨信号的影响，也要考虑选用滤波特性较好的电路，使回波易于检测。超声波接收电路，首先经过高通滤波，然后再经过两级放大，检波，整形输出一个低电平给单片机。当接收到40khz信号后，接收模块会产生较低的低电平，接入单片机便可以使单片机产生中。-7-4、温度检测模块当温度传感器DS18B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DSI8B20或从DSI8B20送出，因此从主机CPU到DSI8B20仅需一条线（和地线）。DSI8B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSI8B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSI8B20可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件，DSI8B20的测量范围从-55℃到+125℃，增量值为0.5s可在IS（典型值）内把温度变换成数字每一个DSI820包括一个唯一的64位长的序号，该序号值放在DSI820内部的rom(只读存贮器)中。-8-5、下载模块：芯片PL-2303PL2303是Prolific公司生产的一种高度集成的RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口便利联接的解决方案。该器件内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换，能够方便嵌入到手持设备。该器件作为USB/RS232双向转换器，一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设；另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计。通过利用USB块传输模式，利用庞大的数据缓冲器和自动流量控制，PL2303HX能够实现更高的吞吐量比传统的UART（通用异步收发器）端口,高达115200bps的波特率可用于更高的性能使用。-9-6、软件模块软件框架部分-10-三、总结通过这次工程实践，从询问老师到查阅资料，最后到亲自动手，我们学会了很多东西。虽然这次的工程实践是偏电子方面的，但是我们仍认为这对我们之后的专业学习有很多帮助。虽然最后没能将一个完美的全方位全天候超声波测速测距仪做出来，实属遗憾。但是过程学到的东西，相信会终身受益。收获的财富不仅是知识上的，在生活中我们几个组员也加深了友谊，团队氛围融洽，配合越来越默契。感谢盛佳南老师对我们的悉心指导，这次不完美工程实践只是个开始，相信在以后的路上将越走越完美。