电子信息工程系电子信息工程系实实验验报报告告课程名称：课程名称：1、信号检测与控制、信号检测与控制2、单片机技术与应用、单片机技术与应用3、印刷电路板设计与制板工艺、印刷电路板设计与制板工艺班级：应电班级：应电 0933 班班实训者姓名实训者姓名 ：左兴华：左兴华 柴理会柴理会学号：学号：0919013319 0919013317指导老师：指导老师：方跃春方跃春 李桂平李桂平 张艳阳张艳阳时间：时间：2010 年年 12 月月目录目录1、-实验背景实验背景2、-实验原理实验原理3、-实验设备实验设备4、-实验目的实验目的5、-实验内容实验内容6、-实验步骤实验步骤7、-实验作品展示实验作品展示8、-实验体会实验体会9、-附超生波测距附超生波测距汇编程序汇编程序一、实验背景一、实验背景在科学技术高速发展的今天，超生波的在测距中的应用也越来越广。但目前 我们的技术还是有限，为了推动我们电子信息工程系同学对其的兴趣发展，所 以我们电子信息工程系教研室的老师们策划了一个基于单片机超声波测距仪项 目的课程设计。同时也是为了老师考察电子系同学们在前一学年在单片机应用 技术课程，传感器技术应用课程和印刷电路板的设计与工艺课程学习情况。也 是对电子信息工程系的学生们动手能力的一种锻炼，及高职院校学生综合素质 的一种培养。设计超声波测距仪用专用的集成电路的成本很高, 并且没有显示, 操作比较不方便。本文结合超声波精确测距的需要，尝试用 STC89C52 单片机 为核心的低成本、简单实现收发功能、小型化数字显示超声波测距的硬件电路 和软件设计方法。二、实验原理二、实验原理 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一， 超声波对色彩，光照度，外界光线和电磁场不敏感，因此超声波测距对于被测 物处于黑暗，有灰尘或烟雾，强电磁干挠，有毒等恶劣的环境下有一定的适用 能力，在液体测位，机器人避障和定位，倒车雷达、物体识别等方面有广泛应 用。而且超声波传播不易受干挠，因而经常用于距离的测量。在某一时刻给超 声波发生器施加 40 khz 方波信号，发生器发出超声波，遇到被测物体后反射回 来，被超声波接受器接受到。只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号 的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出被测物体的距离 d=s/2=(vt) /2.其中 d 为被测物到测距仪之间的距离，s 为超声波往返通过的路程，v 为超 声波在介质中的传播速度，t 为超声波从发射到接收所用时间。 由于超声波在空气中的速度与温度有关，如果温度变化不大，则可以认为 声速基本不变。如果测距精度要求很高，则可以通过温度补偿的方法加以矫正。 不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：V=331.4+0.61t.其中， t 为实际温度，v 的单位为 m/s.本系统所采用的 T/R40-16 型超声波传感器。 超声波传感器型号代码:T/R40-16 外壳直径- 16(mm)T 发射R-接收 40KHZ-中心频率。图图 1 1 超声波传感器超声波传感器表表 2-12-1 T/R40-16T/R40-16 特性参数特性参数 型号T/R40-16 中心频率40 士 1KHZ发射电压大于 115dB 接受灵敏度大于-64dB/V/ubar-6dB 指向50deg电容2400 士 25% 允许输入电压20V工作过程工作过程启动超声波测距电路时，工作过程如下: 1. 由单片机发出 40KHz 的脉冲串，每 10 个脉冲为一串; 2脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波; 3单片机在发送脉冲的时刻开始计时; 4超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经 过两级放大; 5再经过电压比较器，下降沿中断信号中断单片机的计时; 6读 THO、TLO 时间值; 7时间*速度 ，计算出距离数据; 8在 LED 上显示距离。 超声波测距是根据回波测距的原理设计的，由超声波的发射器发射超声波， 超声波接收器接受回波。测出从超声波发射脉冲串时刻到接受回波是的时间差， 超声波在同温同介质中的传播速度由测温系统得知，将声速与时刻差相乘，得 出距离，并显示。其系统框图如图 2 所示。三实验器材及设备三实验器材及设备A.A.实验器材实验器材超声波测距原理图 pcb 板一块，超声波探头，超声波接收头，555 多谐振荡 器 ，LM386 音频集成芯片、LM567 集成芯片、CD4069 驱动芯片、DS18B20 传感 器一个以及一些必须的电阻，电容及元器件等等B.实验设备实验设备电烙铁一个、烙铁架一个、钳子，8051 系列单片机。电锡丝、万用表、示波器、被测物体、电脑、下载数据线等等。四、实验目的四、实验目的为了推动我们电子信息工程系同学对超声波在测距这块的兴趣，我们教研室的 老师们策划了一个基于单片机超声波测距仪项目的课程设计。同时也是为了老 师考察电子系同学们在前一学年在单片机应用技术课程，传感器技术应用课程 和印刷电路板的设计与工艺课程学习情况。也是对电子信息工程系的学生们动 手能力的一种锻炼，及高职院校学生综合素质的一种培养。五、实验内容五、实验内容 本文的主要内容是先阐述课题背景、任务，对超声波测距的可行性进行了 理论分析的基础上，利用计算机技术、电子技术、以及超声波在介质中的传播 特性等，制作出了超声波测距的硬件部分，编写了相应的软件程序，并进行了 调试和试运行。在硬件电路的设计中，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性， 我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量 的范围。在软件设计中，我们采用模块化程序设计思想，将软件分为超声波驱 动与数据处理模块，每个模块又由若干小模块组成。对软件的这种处理不但能 使软件的结构清晰，而且有利于软件的调试和修改。 最后给出了试验结果，分析误差，提出解决措施。六、实验步骤六、实验步骤 a.a.前期准备前期准备 1、画出超声波测距原理图如下图所示。图图 3 3 超声波测距原理图 2、根据原理图利用 protel 2004 软件 和参加 pcb 制板实训制成一块超波 测距 pcb 板图 4 Gerber 图图 5 超声波测距 pcb 板的三维图 3、元件测试及焊接元器件。焊接完后的的超声波测距 pcb 样品图图 6 超声波测距 pcb 样品图 4.调试。焊接完成后，利用示波器调试焊接好的超声波测距 pcb 板。超声波测距 仪的制作制作和调试都比较简单，超声波发射和接收采用15的超声波换能器 TCT40- T(T 发射）和 TCT40-R(R 接收）中心频率为40khz.还有就是在调试时可 利用两个电位器进行微调。硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试 运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测 量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序， 测距仪能测的范围为0.075.5m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应 对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用 的测量要求。B.B.超声波测距仪的硬件设计超声波测距仪的硬件设计 1 1、设计思想设计思想按设计要求，根据超声波测距原理，以 STC89C52 单片机系统为核心，制作超 声波测距电路。它的各部分电路的说明如下: 1. STC89C52 单片机最小系统是超声波测距的核心部分，主要任务:(1)控制一个 40KHz 的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振 荡出与超声波发射器的固有频率相同频率，使换能器能最大效率工作;(2)延时程序延时一个 40KHz 的脉冲;(3)T0 工作在方式 2，自动装载，实现串口通讯，波特率 2400bit/s 晶振频 率 12MHz;(4)根据超声波发射和接收的时间差与串口接收的速度数值相乘，进行有关 参数计算出距离;(5) 数据的显示。 2. 超声波发射电路作用是将振荡电路振荡出 40KHz 的脉冲信号，信号幅值是 18V(可调节)，脉冲信号将驱动超声波发射传感器，发射超声波。 3. 超声波接收电路主要包括微弱信号放大、电压比较中断信号输出等部分。它 是用来对接收到的回波进行放大和整形，即将回波信号转换成单片机的中断信 号。 4 .根据设计要求，距离要通过显示器实时地显示出来。2 2、单片机最小系统单片机最小系统本设计中的单片机型号为STC89C52，采用了频率为12MHZ的晶振与两个电 容组成的晶振电路，为单片机提供工作时序。复位电路是按键电平复位，按键 电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。最小系统电路图如图 3所示。P1.01P1.12P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9RXD/P3.010TXD/P3.111INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515P1.23WR/P3.616RD/P3.717XTAL 118XTAL 219Vss20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PTOG30EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039Vcc40C89 52C1 22ufR2 200R3 1kS1RESETVCCC3 30pfC2 30pf 11.059M CRYSTAL图 7 单片机最小系统图 3.3.发射电路发射电路图 8 发射电路 发射电路目的:为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号 依据电路需要，发射电路满足下列要求: 1. 驱动能力较高； 2. IO 口控制口； 本文中脉冲发射采用软件方式，利用 STC89C52 的 P3.3 口发射 40 kHz 的方 波信号，经过 74LS04 放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04 是一 个高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相 对于 LSTTL 逻辑 IC，它的功耗减少很多。对于 HC 类型，其工作电压为 26 V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入 LSTTL 逻辑信号和 CMOS 逻辑输入等特 点。 本系统将 40 kHz 方波信号分成两路，分别由 74LS04 经两次和一次反向放 大，从而构成推拉式反向放大 4 4、接收电路、接收电路图 9 接收电路 根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求: (1)微弱信号放大，放大倍数要求 mv-V。 (2)波形整形。 (3)实时选通不同方向的微弱信号口。 如图 10 所示，不同方向的超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号 (正弦波)，信号经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器 输出的方波信号直接输入 INTO 中断口，该低电平作为 STC89C52 外部中断 0 的 中断信号使 STC89C52 产生中断，在中断服务程序中停止计数器 TO 的计时，并 计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转 换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。波形处理如图 9:微弱信号一一一一放大信号一一一一整形信号。图 105 5、显示电路、显示电路 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用 AT89S51 单片机作为主控制器，用 动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，显示 电路如下图