傳感器技術(shù)檢測課程設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計目的2</p><p>　　二、課程設(shè)計題目2</p><p>　　三、課程設(shè)計內(nèi)容及要求2</p><p><b>　　1、設(shè)計內(nèi)容2</b></p><p><b>　　2

2、、設(shè)計要求2</b></p><p>　　四、傳感器工作原理2</p><p><b>　　五、系統(tǒng)框圖3</b></p><p>　　六、單元電路設(shè)計原理4</p><p>　　1、LED顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計4</p><p>　　2、超聲波發(fā)射電路設(shè)計5</

3、p><p>　　3、超聲波接收電路設(shè)計7</p><p>　　4 、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計8</p><p>　　七、 軟件設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試9</p><p>　　1、 主程序流程圖10</p><p>　　1.1發(fā)射程序與接收流程圖10</p><p>　　1.2 中斷子程序及流程圖1

4、1</p><p>　　1.3 距離計算與顯示子程序12</p><p>　　八、設(shè)計中的問題及解決方法13</p><p><b>　　九、參考文獻15</b></p><p><b>　　課程設(shè)計目的</b></p><p>　　通過《傳感器及檢測技術(shù)》課程設(shè)計，掌

5、握傳感器及檢測系統(tǒng)設(shè)計的方法和設(shè)計原則及相應的硬件調(diào)試的方法。進一步理解傳感器及檢測系統(tǒng)的設(shè)計和應用。 </p><p><b>　　二、課程設(shè)計題目</b></p><p><b>　　超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　三、課程設(shè)計內(nèi)容及要求</p><p><b>　　1

6、、設(shè)計內(nèi)容</b></p><p>　　采用40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離。可采用發(fā)射和接收之間的距離，也可將發(fā)射和接收平行放在一起，通過反射測量距離。</p><p>　　功能：1）LED數(shù)碼管顯示測量距離，精確到小數(shù)點后一位（單位：cm）。</p><p>　　2）測量范圍：30cm～200cm，</p><p>

7、　　3）誤差＜0.5cm。</p><p><b>　　4）其它。</b></p><p><b>　　2、設(shè)計要求</b></p><p>　　1）掌握傳感器的工作原理及相應的輔助電路設(shè)計方法。</p><p>　　2）獨立設(shè)計原理圖及相應的硬件電路。</p><p>　　

8、3）設(shè)計說明書格式規(guī)范，層次合理，重點突出。并附上詳細的原理圖四、傳感器工作原理</p><p>　　超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲接收波換能器。超聲測距大致有以下方法：① 取輸

9、出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，測距原理如圖2-1所示，距離公式為s=ct/2，其中c為聲速。通過測量發(fā)射與接受裝置之間的距離h， 利用直角三角形可求得。因為s》h，則d=s，d=s= ct/2。本測量電路采用第二種方案。</p><p>　　圖4-1 測距原理圖</p><p&g

10、t;　　在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒，但其傳播速度v易受空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1℃，聲速增加約0.6米/秒。聲速與溫度關(guān)系如表4-2所示。因此在測距精度要求很高的情況下，應通過對溫度補償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度T時，超聲波傳播速度V的計算公式可近似如下：</p><p>　　V=331.5+0.607T</p>&l

11、t;p>　　這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差t以及現(xiàn)場環(huán)境溫度T，就可以精確計算出發(fā)射點到障礙物之間的距離。</p><p>　　表4-2聲速與溫度關(guān)系表：</p><p><b>　　五、系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　六、單元電路設(shè)計原理</p><p>　　1、LED顯示電路與鍵盤控制電路設(shè)計

12、</p><p>　　顯示器是一個典型的輸出設(shè)備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單最直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，而復雜的教完整的顯示器應該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實際要求，由于只需顯示距障礙物的距離，因此選用LED數(shù)碼管，通過單片機編程實現(xiàn)顯示。</p><p>　　動態(tài)掃描顯示接口

13、是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃斷a—dp同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立的受I/O線的控制。CPU向字段輸出口送出字型碼時，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮過程中，每

14、位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1ms），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非人同時點亮，但只是掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點亮LED數(shù)碼管無位選信號，各數(shù)碼管是同時點亮的，每個數(shù)碼管顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時送給，其原理比較簡單。靜態(tài)掃描顯示編程容易，顯示比較清晰，亮度一般較高，但要求占用很多I/O接線口和增用不少硬件芯片，成本較高。因此，

15、我采用動態(tài)掃描。</p><p>　　設(shè)計的顯示電路采用4位一體八段共陰極數(shù)碼管顯示，段碼直接由單片機的P0口來驅(qū)動，因為P0口的內(nèi)部無上拉電阻，需在外部接上拉電阻；位碼則通過4個NPN型三極管來驅(qū)動，同時接單片機P2口。顯示電路如圖6-1所示。</p><p><b>　　圖6-1顯示電路</b></p><p>　　在外圍的鍵盤控制電路中，

16、設(shè)置了四個獨立按鍵，分別與單片機的P3.4~P3.7相連，當按下S1時，啟動超聲波發(fā)射，開始測距；當按下S2時，停止發(fā)射超聲波，即停止測距；S3為報警開關(guān)，當測量到距離過近時，蜂鳴器電路發(fā)出警告，此時按下S3鍵，即可停止報警，S4為預留出來的按鍵，當需要的時候可以實行編程控制。電路設(shè)計如圖6-2所示。</p><p>　　圖6-2 鍵盤控制電路</p><p>　　2、超聲波發(fā)射電路設(shè)計&

17、lt;/p><p>　　超聲波的發(fā)射和接收是由超聲波換能器來完成的，也就是我們俗稱的探頭。超聲波的發(fā)射與接收可采用一體式的或獨立式的，但是一體式的盲區(qū)問題比較嚴重，所以本次設(shè)計選擇發(fā)射和接收探頭分開的，具體將采用超聲波發(fā)射換能器TCT40-16BT和超聲波接收換能器TCT40-16BR。</p><p><b>　　命名規(guī)則：</b></p><p&g

18、t;　　型號：TCT40-16BT或（R）</p><p>　　類別：TC—壓電陶瓷超聲波傳感器；T—通用性；T—發(fā)射/R—接收</p><p>　　外徑：－16代表Φ16mm</p><p><b>　　外殼材料：鋁</b></p><p><b>　　外殼顏色：銀色</b></p>

19、<p><b>　　具體參數(shù)：</b></p><p>　　中心頻率：40.0kHz±1.0 kHz</p><p>　　輸出電壓: ≥115dB</p><p>　　接收靈敏度：≥-65dB</p><p>　　靜電容量：2000pF±20%</p><p>&l

20、t;b>　　指向角：80°</b></p><p>　　工作溫度: -20～+70℃</p><p>　　超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，而以壓電式最為常用。壓電型超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，它是利用壓電材料的壓電效應來工作的：逆壓電效應將高頻電振動轉(zhuǎn)化成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應，將超

21、聲振動波轉(zhuǎn)化為電信號，可作為接收頭。</p><p>　　超聲波發(fā)射電路，是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40-16BT能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號分成兩路，一路經(jīng)一級

22、反相器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經(jīng)兩級反相器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，實際上構(gòu)成了一個橋式電路，輸入與輸出的相位圖如圖3-4所示，再加上輸出端上拉電阻R3，R4，一方面可以提高反向器MC14069UB輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。發(fā)射電路如圖6-3所示。</p><p>　　圖6-3超聲波發(fā)射電路&

23、lt;/p><p>　　3、超聲波接收電路設(shè)計</p><p>　　上述TCT40-16BT發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT40-16BR進行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個負脈沖送給單片機的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。<

24、/p><p>　　CX20l06A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外接收芯片，也適用于超聲波接收。其采用單列8腳直插式，超小型封裝。+5V供電。</p><p>　　以下是CX20l06A的引腳注釋：</p><p>　　1腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k Ω 。</p><p>　　2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)

25、絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.7 Ω ，C=3.3 μ F。</p><p>　　3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造

26、成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μ F。</p><p><b>　　4腳：接地端。</b></p><p>　　5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率fn，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。</p><p>　　6腳： 該腳與GND之間接入

27、一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。</p><p>　　7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k Ω ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。</p><p>　　8腳： 電源正極，4.5V～5V。</p><p>　　接收部分的電路如圖6-4所示

28、。</p><p>　　圖6-4 超聲波接收電路</p><p>　　可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，也適用于超聲波，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0可由其5腳

29、外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60 kHz。故本次設(shè)計用它來做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。工作過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到SST89

30、E564的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳5的外接電阻R7，將濾波器的中心頻率設(shè)置在40 kHz，就可達到理想的效果。</p><p>　　4 、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計</p><p>　　由于MCS—51使用的是正邏輯的TTL電平，為了達到電平匹配，在MCS—51組成系統(tǒng)板上的RS口必須經(jīng)電平轉(zhuǎn)化后輸出，可以使用美信MAX232ECA芯片，外圍電路非常簡單，

31、只需要4個0.1μF的電容器，可以實現(xiàn)與計算機的通信，電路如圖6-5所示。</p><p>　　圖6-5 串口通信電路</p><p>　　如圖6-6所示，蜂鳴器的正極接到VCC（+5v）電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的集電極，三極管的基極經(jīng)過限流電阻R20后由單片機的P1.1引腳控制，當P1.1輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制P1

32、.1腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音。當P1.1輸出高電平時，三極管截止，沒有電流通過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲。我們在測距過程中，當與障礙物的距離過近，蜂鳴器就可以發(fā)出報警音，起到提示的作用。</p><p>　　圖6-6 蜂鳴器電路</p><p>　　七、 軟件設(shè)計與系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括中斷主程序、入口程序、定時器0中斷程序、顯

33、示子程序、超聲波發(fā)射子程序、延時子程序、距離計算子程序和報警子程序設(shè)計等。</p><p><b>　　1、 主程序流程圖</b></p><p>　　主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時/計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并清計數(shù)器，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時0.1

34、ms（這也就是超聲波測距系統(tǒng)會有一個最小可測距離的原因）后才可打開外部中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是24MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是0.5μs，所以當當主程序檢測到接收成功的標志位后，調(diào)用測距子程序，即可算得被測物與測距器之間的距離，最后顯示在LED上，主程序流程圖如圖7-1所示。</p><p>　　圖7-1 主程序流程圖</p><p>　　1.1發(fā)射程序與接收流程圖&

35、lt;/p><p>　　系統(tǒng)軟件編制時應考慮相關(guān)硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計中P1.0引腳連接到推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，P1.0引腳輸出的將是軟件方式產(chǎn)生的40 kHz方波，而P3.2(INT0)則被用來接收回波。定時器T1，T0均工作在工作方式1，為16位計數(shù)，T1定時器被用來開啟一次測距過程以它的溢出為標志開始一個發(fā)射測量循環(huán)，T0定時器是用來

36、計算脈沖往返時間，它們的初值均設(shè)為0。</p><p>　　超聲波的接收由接收子程序來執(zhí)行，接收子程序如圖4-2所示。首先初始化，其次發(fā)射超聲波，接收端判斷是否有回波，若時間大于30ms仍沒檢測到回波則重新發(fā)射超聲波；若有回波，通過軟件濾波，判斷是否為回波信號，是回波，則讀取時間，繼續(xù)調(diào)用計算距離子程序，最后顯示出測量的距離。</p><p>　　圖7-2 接收子程序流程圖</p&g

37、t;<p>　　1.2 中斷子程序及流程圖</p><p>　　當超聲波接收器收到返回的信號會給單片機一個外部中斷，在程序中定義為外部中斷0，INT0中斷在程序中的作用是形成中斷進行跳轉(zhuǎn)進入中斷子程序，能夠?qū)崿F(xiàn)我在程序設(shè)計上的思維，使整個程序符合邏輯設(shè)計。中斷子程序流程圖如圖4-3所示。在程序中應注意進中斷時變量的保存及出中斷時變量的恢復。當有外部中斷時，將由硬件置位中斷標志寄存器的 EXINTF0

38、或 EXINTF1位（EXINTF0 或EXINTF1 位由硬件置位，由軟件清零），為避免進入中斷死循環(huán)，必須在退出中斷子程序時用軟件清除該標志位。系統(tǒng)在進入中斷時會自動關(guān)中斷，之后進入處理子程序。接收中斷后，讀取定時器值，設(shè)置標志位。</p><p>　　圖7-3 中斷子程序流程圖</p><p>　　1.3 距離計算與顯示子程序</p><p>　　由于超聲波測

39、距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。</p><p>　　在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0端產(chǎn)生一個

40、中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。</p><p>　　圖7-4 顯示流程圖</p><p>　　八、設(shè)計中的問題及解決方法</p><p>　　在這次的設(shè)計后我了解到，無接觸測量在當今的社會發(fā)展當中已經(jīng)變得十分重要，而超聲波作為非接觸測量的一種方法，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應用。盡管本設(shè)計成功完成，但其中仍然存在著很大的

41、改進空間。系統(tǒng)中仍有可以提高的方面，如考慮進去溫度補償?shù)膯栴}，以及提高精度的方法，顯示部分可以改用效果更好的液晶屏顯示，希望這些方面在之后的設(shè)計中能夠得到進一步解決。</p><p>　　設(shè)計過程中還遇到了許多問題，比如發(fā)射電路和接收電路連接有不懂的地方，有時候不知道該用什么器件更好，此時我就會去圖書館或者網(wǎng)上查找資料，實在查不到的就會問指導老師或者同學，老師都會耐心的幫我解決，最后就順利完成了。</p&g

42、t;<p><b>　　九、參考文獻</b></p><p>　　[1] 《傳感器及檢測技術(shù)》 高等教育出版社</p><p>　　[2] 74系列TTL資料</p><p>　　[3] 4000系列CMOS資料</p><p>　　[4] 555常用電路圖集</p><p>