电子设计应用超声波测距仪的设计.docx

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1、超声波测距仪的设计摘要：电子测距仪要求测量范围在0105.00m,测量精度Iem,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

2、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10200cm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，PIC16F876AAbstract:U1trasonicRanging,canbeusedincarreversing,theconstructionsiteandthe1ocationofsomeindustria1sitemonitoring,cana1sobeusedifthe1eve1,depthand1engthofthepipe1ine,suchasmeasur

3、ementoccasions.Measurementoftherequirementsinthe0.10-5.00m,precision1cm,withthemeasurementofdetectedobjectswithoutdirectcontact,beingab1etoc1ear1yshowstab1emeasurementresu1ts.Becauseofthestrongpointofu1trasonicenergyconsumptions1ow,mediumofcommunicationinthe1ongerdistance,thusfrequent1yusedu1trasoni

4、cdistancemeasurement,suchastherangefinderand1eve1measurementandsooncanbeachievedbyu1trasound.Useofu1trasonictestingisoftenmorerapid,convenientandsimp1eterms,easytoachieverea1-timecontro1,andmeasurementaccuracycanmeetthepractica1requirementsofindustry,inthemobi1erobothasbeendeve1opedonawiderangeofapp

5、1ications.Therangefinderon1yNE555circuit,twoamp1ifiercircuitandthe1eve1achievedacomparisonof1aunchingandreceivingu1trasound.SCMrangefinderforthecoree1ementsfor1aunchingthecircuitcontro1andreceivedataprocessing.10-200cminthesystemofdistancemeasurementaccuracyupto0.5cm1andeasytodebug,1ow-cost,withstro

6、ngpractica1va1ueandgoodmarketprospects.Keywords:U1trasonicsensors,rangefinder,PIC16F876A一、系统方案比较与选择5方案一：利用分立模块的超声波测距仪5方案二：基于PC16F876A单片机的超声波测距仪6二、理论分析与计算71、测量与控制方法72、理论计算8三、电路与程序设计91、检测与驱动电路设计92、总体电路图143、软件设计与工作流程图16四、系统调试171超声波测距误差分析182提高精度的方案及系统设计193、测量结果20五、创新发挥22六、设计结论24一、系统方案比较与选择方案一：利用分立模块的超声波

7、测距仪系统包括超声波测距模组、1ED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1CD洌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。系统结构超声波窝寸头模块接口超声波接收头超声斓可雌收姐5电路图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

8、，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不方案二：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PIeI6F876A为核心，其发射器是利用压电晶体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340nVs,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=340t2,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

9、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）：1ED显示模块，P1CI6F876A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。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

10、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。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/如图4所示为反射时间法，是利用检测声波发出到

11、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*(172)其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间(T=T1T2),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 .PIC16F87

12、6A：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R40-165 .接受探头T406 .电位器53327 .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-Pin15。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。MC1Rpp-匚RAa/ANO匚RA1AN1I匚RA2AN2VREFJCVREF-*-*ERA3ANWREFZRA4QCK1C1OUT-RA5ANSSC2OUT-*匚V

13、SS-*E0SC1/C1KI*EOSC2/C1K。匚rcoiosoticio*-*ERC110SICCP2-1RC2/CCP1一匚RC3SCKSC1-*E1234567891011121314S7654321987652222222211111IRB7/PGD-RB6/PGCJRB5U-RB4JRB3/PGM1一RB2-ARB1J-RBtMNTZ1-*-VDoVssRC7RX)TRC6JX/CK1-RC5S1-RC4/SDI/SDA图5PIC16F879A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

14、脚B放大器反相输入端，7弓I脚B放大器输出，8引脚正电源。其引脚图如图5所示。IOUTIIN-11N+Vcc-Vcc+20UT2IN-21N+图6NE5532P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,AV2DVD（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YOBtoY3B和11脚、

15、12脚、14脚、15脚的YOAtoY3A为独立的输入/输出通道；9脚A1、10脚AO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。VoDY2AY-AZAYOAY3AAOA10HEF4052BYO8Y28ZBY3BcE膏VSS7ZS3-图7HEF4052B引脚图以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。C、发射电路原理：由图9所示发射部分由高频振荡器、单脉冲发生器、编码调制器、功率放大器及超声换能器组成。单脉冲发生器在振荡器的每个周期内都被触发，产生固定脉宽的脉冲序列，来自单片机的编码信号对脉冲序列进行编码调制，经功率放大后，通过超声换