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超声波测距仪设计--完整毕业设计论文.doc

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.54M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    一、系统方案比较与选择
    方案一：利用分立模块的超声波测距仪
    方案二：基于PIC16F876A单片机的超声波测距仪
    二、理论分析与计算
    1、测量与控制方法
    2、理论计算
    三、电路与程序设计
    1、检测与驱动电路设计
    2、总体电路图
    3、软件设计与工作流程图
    四、系统调试
    1 超声波测距误差分析
    2 提高精度的方案及系统设计
    3、测量结果
    五、创新发挥
    六、设计结论
    超声波测距仪的设计 摘要：电子测距仪要求测量范围在 0.10～5.00m，测量精度 1cm，测量时与 被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强，能 量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测 距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距器，可以应用于汽车 倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道 长度的测量等场合。利用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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研 制上也得到了广泛的应用。 该测距仪采用 NE555 电路、两级放大电路和电平比较电路实现了超声波的发 射与接收。单片机为该测距仪的核心单元，实现发射电路的控制和接收数据的处 理。本系统在 10～200cm 的距离内测量精度可达±0.5cm，并且易于调试，成本 低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。 关键字：超声波传感器，测距仪，PIC16F876A Abstract：Ultrasonic Ranging, can be used in car reversing, the construction site and the location of some industrial site monitoring, can also be used if the level, depth and length of the pipeline, such as measurement occasions. Measurement of the requirements in the 0.10-5.00 m, precision 1 cm, with the measurement of detected objects without direct contact, being able to clearly show stable measurement results. Because of the strong point of ultrasonic energy consumption slow, medium of communication in the longer distance, thus frequently used ultrasonic distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient and simple terms, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry, in the mobile robot has been developed on a wide range of applications. 1
    The range finder only NE555 circuit ， two amplifier circuit and the level achieved a comparison of launching and receiving ultrasound. SCM range finder for the core elements for launching the circuit control and receive data processing. 10-200 cm in the system of distance measurement accuracy up to ± 0.5cm ， and easy to debug， low-cost， with strong practical value and good market prospects. Keywords: Ultrasonic sensors, range finder, PIC16F876A 2
    目 录 一、系统方案比较与选择........................................................................................... 4 方案一：利用分立模块的超声波测距仪............................................................ 4 方案二：基于 PIC16F876A 单片机的超声波测距仪.......................................... 4 二、理论分析与计算................................................................................................... 6 1、测量与控制方法.............................................................................................. 6 2、理论计算.......................................................................................................... 6 三、电路与程序设计................................................................................................... 7 1、检测与驱动电路设计...................................................................................... 7 2、总体电路图.................................................................................................... 12 3、软件设计与工作流程图................................................................................ 14 四、系统调试............................................................................................................. 15 1 超声波测距误差分析...................................................................................... 15 2 提高精度的方案及系统设计.......................................................................... 16 3、测量结果........................................................................................................ 18 五、创新发挥............................................................................................................. 19 六、设计结论............................................................................................................. 20 3
    一、系统方案比较与选择 方案一：利用分立模块的超声波测距仪 系统包括超声波测距模组、LED 数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五 部分。 超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器 控制（如图 1 所示）；超声波换能器谐振在 40KHz 的频率，模块上带有 40KHz 方 波产生电路。 显示模块是一个 8 位段数码显示的 LCD；测量结果的显示用到三位数字段码， 格式为 X 点 XX 米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。 电源采用 9V 的 DC 电源输入，经稳压管后得出 5V 以及 3.3V 的电源供系统各 部分电路使用。 系统结构 图 1 超声波测距模块组硬件框图 优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能。 缺点：能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不 高。 方案二：基于 PIC16F876A 单片机的超声波测距仪 超声波测距仪主要以单片机 PIC16F876A 为核心，其发射器是利用压电晶体 4
    的谐振带动周围空气振动来工作的.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=340×t/2， 这就是常用的时差法测距。 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 现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。 双向超声波测距仪的系统主要有几下部分组成（如图 2 所示）： LED 显示模 块，PIC16F876A 芯片，超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块等五大模 块组成。 图 2 系统设计总体框图 优点：双向测距，精度高，功耗低。 在电路中我们采用 PIC 芯片它的优点是：精简指令使其执行效率大为提高； 彻底的保密性； 其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至 220V 交流电源，可直接与 继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。 基于上述两种方案的比较，方案一，测量盲区较长，结构复杂且稳定性不高。 方案二，能进行双向测距，精度高，功耗低，模块简单，稳定性高。所以选用方 案二。 5
    二、理论分析与计算 1、测量与控制方法 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体 阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的， 而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距 离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。超声波传感器的结构如图 3 所示。 图 3 超声波传感器结构 由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距 选择就以自动选择功能来实现。 2、理论计算 图 4 测距的原理 如图 4 所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的 时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空 6
    气中的声速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式 S=C*(T/2)其中，S 为被 测距离、V 为空气中声速、T 为回波时间（T=T1+T2），可以计算出路程，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以 克服。这样可以求出距离： S=C(T1-T2)/2 本次设计是用 555 时基电路振荡产生 40Hz 的超声波信号。其振荡频率计算 公式如下： f=1.43/((R9+2*R10)*C5) 三、电路与程序设计 1、检测与驱动电路设计 A、器件选择： 本系统在设计过程中主要选取了以下一些器件： 1.PIC16F876A：测距仪的核心单片机 2.HEF4052B：双 4 通道的模拟选择器/分配器 3.NE5532P：双低噪声运算放大器 4.发射探头 R40-16 5.接受探头 T40 6.电位器 5332 7.变压器 B、芯片介绍： PIC16F876A：28 引脚器件有 3 个 I/O 端口，而 40/44-pin 装置有 5。28 引脚 器件有 14 中断，而该装置有 40/44-pin 15。28 引脚器件有 5 个 A / D 输入渠道， 而 40/44-pin 装置有 8。其引脚图如图 5 所示。 7
    图 5 PIC16F879A 系列引脚图 NE5532P：1 引脚 A 放大器输出，2 引脚 A 放大器反相输入端，3 引脚 A 放 大器同相输入，4 引脚负电源，5 引脚 B 放大器同相输入端，6 引脚 B 放大器反 相输入端，7 引脚 B 放大器输出，8 引脚正电源。其引脚图如图 5 所示。 图 6 NE5532P 引脚图 HEF4052B：HEF4052B 是双 4 通道的模拟选择器/分配器，即可作为从 4 路的 输入信号中选择一路作为输出的选择器 ，也可作为将一路输入信号分配到 4 路 输出通道中的一路输出的分配器。通道之间是双向的。IC 内置的译码器有 4 个 间 接 的 模 拟 开 关 输 出 ， 对 2*4 个 通 道 进 行 选 择/ 分 配 。MT# 用 作 对 AV1 ， AV2/DVD(共用),YPRPB/VGA（共用），TV 四路伴音信号的选择。其引脚图如图 6 所示。1 脚、2 脚、4 脚、5 脚的 Y0B to Y3B 和 11 脚、12 脚、14 脚、15 脚的 Y0A to Y3A 为独立的输入/输出通道；9 脚 A1、10 脚 A0 为地址输入（选择端）； 6 脚 E\为使能端（低电平有效）；3 脚 ZB、13 脚 ZA 为公用的输入/输出通道；7 脚 VEE 为输入/输出信号的下限值；8 脚 VSS 为接地端；16 脚 VDD 为供电端。 其引脚图如图 7 所示。 8
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