电子设计应用超声波测距仪的设计

电子设计应用超声波测距仪的设计： 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. 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 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 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。 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。     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。     图7  HEF4052B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：     图8  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，通过超声换能器发射超声波。 图9  发射电路组成图 由555型电路组成多谐振荡器，它的振荡频率为40kHz。RPI用来校准振荡频率。多谐振荡器产生的40kHz的脉冲由3脚输出，经D1、D2两级缓冲、整形后，通过超声波发射器UCM40-T向外发射。 D、接收电路原理： 图10  接收电路原理 本电路包括超声波接收头，电压器、检波电路和单稳态延时电路，如图11所示。超声波接收头 UCM4a-R将运动物体反射的超声波接收并转换为电脉冲信号后，由R5、C4组成的高频滤波电路滤除干扰脉冲后，经RP2分压调节，由C5、R6藕合至电压放大器进行电压放大。RP2兼作超声波接收头的负载与接收灵敏度的调节电位器。 图11  接收电路组成图 E、稳压电源 在各种电子设备中，直流稳压电源是必不可少的组成部分，它是电子设备唯一的能量来源，稳压电源的主要任务是将50Hz的电网电压转换成稳定的直流电压和电流，从而满足负载的需要，直流稳压电源一般由整流、滤波、稳压等环节组成。其电路图如图11所示。其中，变压器将交流电源（220V/50Hz）变换位符合整流电路所需要的交流电压；整流电路是具有但方向导电性能的整流器件，将交流电压整流成单方向脉动的直流电压；滤波电路滤去单向脉动直流电压中的交流部分，保留直流成分，尽可能供给负载平滑的直流电压；稳压电路是一种自动调节电路，在交流电源电压波动或负载变化时，通过此电路使直流输出电压稳定。 F、显示电路原理     超声波测距仪显示模块如图12所示。通过单片机的15、16、17三个管脚的信号控制三个三极管的B级，利用三极管的开关特性，实现数码管的点亮，从而实现动态显示。 图12 显示模块 采用LED动态显示，数据经过PIC芯片的计算后传到LED上，显示精度是厘米。 2、总体电路图 本系统采用双向测距，通过双向收发来实现，两方发送分别由082D和NE5534P两个运放来控制，将信号放大由超声波传感器发送；再经过超声波传感器接收，由变压器进行耦合经三极管放大，将左右（分别由红绿两盏灯区分）两组数据送入CD4052数据选择器进行数据选择，选出信号强（测量距离近）的那个信号送入PIC主芯片，再由PIC进行处理将结果送到数码管显示。其总体电路图如图13所示。 图13  超声波测距仪总体电路图 3、软件设计与工作流程图 超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。程序流程如图14所示： 图14  软件设计流程框图 其工作流程是：上电后首先对系统进行初始化，紧接着调用显示子程序，显示完后判断有没有超声波被接收，若有，则停止计时并将计时值送入距离计算子程序，然后将所测距离显示1秒，最后返回进行下一轮液位测量，若没有信号进来，则继续调用显示子程序。其流程图如图15所示。 完整内容下载附件查看：

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