專業大學生超聲波傳感器的實訓報告

時間：2023-06-19 06:43:59 大學專業我要投稿

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專業大學生超聲波傳感器的實訓報告

　　篇一：基于單片機超聲波測距項目實驗報告

　　一、實驗背景

專業大學生超聲波傳感器的實訓報告

　　在科學技術高速發展的今天，超生波的在測距中的應用也越來越廣。但目前我們的技術還是有限，為了推動我們電子信息工程系同學對其的興趣發展，所以我們電子信息工程系教研室的老師們策劃了一個基于單片機超聲波測距儀項目的課程設計。同時也是為了老師考察電子系同學們在前一學年在單片機應用技術課程，傳感器技術應用課程和印刷電路板的設計與工藝課程學習情況。也是對電子信息工程系的學生們動手能力的一種鍛煉，及高職院校學生綜合素質的一種培養。設計超聲波測距儀用專用的集成電路的成本很高, 并且沒有顯示,操作比較不方便。本文結合超聲波精確測距的需要，嘗試用STC89C52 單片機為核心的低成本、簡單實現收發功能、小型化數字顯示超聲波測距的硬件電路和軟件設計方法。

　　二、實驗原理

　　超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬分之一，超聲波對色彩，光照度，外界光線和電磁場不敏感，因此超聲波測距對于被測物處于黑暗，有灰塵或煙霧，強電磁干撓，有毒等惡劣的環境下有一定的適用能力，在液體測位，機器人避障和定位，倒車雷達、物體識別等方面有廣泛應用。而且超聲波傳播不易受干撓，因而經常用于距離的測量。在某一時刻給超聲波發生器施加40 khz方波信號，發生器發出超聲波，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接受器接受到。只要計算出超聲波信號從發射到接收到回波信號的時間，知道在介質中的傳播速度，就可以計算出被測物體的距離d=s/2=(vt)/2.其中d為被測物到測距儀之間的距離，s為超聲波往返通過的路程，v為超聲波在介質中的傳播速度，t為超聲波從發射到接收所用時間。

　　由于超聲波在空氣中的速度與溫度有關，如果溫度變化不大，則可以認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則可以通過溫度補償的方法加以矯正。不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系：V=331.4+0.61t.其中，t為實際溫度，v的單位為 m/s.

　　本系統所采用的T/R40-16型超聲波傳感器。

　　超聲波傳感器型號代碼:T/R40-16— 外殼直徑-- 16(mm)T— 發射

　　R--接收 40KHZ--中心頻率。

　　圖1 超聲波傳感器

　　工作過程啟動超聲波測距電路時，工作過程如下:

　　1. 由單片機發出40KHz的脈沖串，每10個脈沖為一串;

　　2．脈沖串通過超聲波發射電路驅動超聲波發射換能器發出超聲波;

　　3．單片機在發送脈沖的時刻開始計時;

　　4．超聲波遇到障礙物后的回波被超聲波接收換能器接收，其輸出的正弦波經過兩級放大;

　　5．再經過電壓比較器，下降沿中斷信號中斷單片機的計時;

　　6．讀THO、TLO時間值;

　　7．時間*速度，計算出距離數據;

　　8．在LED上顯示距離。

　　超聲波測距是根據回波測距的原理設計的，由超聲波的發射器發射超聲波，超聲波接收器接受回波。測出從超聲波發射脈沖串時刻到接受回波是的時間差，超聲波在同溫同介質中的.傳播速度由測溫系統得知，將聲速與時刻差相乘，得出距離，并顯示。其系統框圖如圖2所示。

　　三．實驗器材及設備

　　A.實驗器材

　　超聲波測距原理圖pcb板一塊，超聲波探頭，超聲波接收頭，555多諧振蕩器，LM386 音頻集成芯片、LM567集成芯片、CD4069驅動芯片、DS18B20傳感器一個以及一些必須的電阻，電容及元器件等等

　　B.實驗設備

　　電烙鐵一個、烙鐵架一個、鉗子，8051系列單片機。電錫絲、萬用表、示波

　　器、被測物體、電腦、下載數據線等等。

　　四、實驗目的

　　為了推動我們電子信息工程系同學對超聲波在測距這塊的興趣，我們教研室的老師們策劃了一個基于單片機超聲波測距儀項目的課程設計。同時也是為了老師考察電子系同學們在前一學年在單片機應用技術課程，傳感器技術應用課程和印刷電路板的設計與工藝課程學習情況。也是對電子信息工程系的學生們動手能力的一種鍛煉，及高職院校學生綜合素質的一種培養。

　　五、實驗內容

　　本文的主要內容是先闡述課題背景、任務，對超聲波測距的可行性進行了理論分析的基礎上，利用計算機技術、電子技術、以及超聲波在介質中的傳播特性等，制作出了超聲波測距的硬件部分，編寫了相應的軟件程序，并進行了調試和試運行。在硬件電路的設計中，針對超聲波在傳播時呈指數衰減的特性，我們采用了最大限度提高驅動能力、對回波進行多級放大等措施，擴大了測量的范圍。在軟件設計中，我們采用模塊化程序設計思想，將軟件分為超聲波驅動與數據處理模塊，每個模塊又由若干小模塊組成。對軟件的這種處理不但能使軟件的結構清晰，而且有利于軟件的調試和修改。

　　最后給出了試驗結果，分析誤差，提出解決措施。

　　六、實驗步驟

　　a.前期準備

　　1、畫出超聲波測距原理圖如下圖所示。

　　圖3 超聲波測距原理圖

　　2、根據原理圖利用protel dxp 2004軟件和參加pcb制板實訓制成一塊超波測距pcb板

　　篇二：課程設計實驗報告-超聲波測距儀的設計

　　一、設計目的

　　本設計利用超聲波傳輸中距離與時間的關系，采用STC51單片機進行控制和數據處理，設計出能夠精確測量兩點間距離的超聲波測距儀。同時了解單片機各腳的功能，工作方式，計數/定時，I/O口的相關原理，并鞏固學習單片機的相關內容知識。

　　二、設計要求

　　1.設計一個超聲波測距儀，能夠用四段數碼管準確顯示所測距離

　　2.精度小于1CM，測量距離大于200CM

　　三、設計器材

　　元器件數量

　　STC51單片機 1個

　　超聲波測距模塊URF-04 1個

　　電阻（1K 200 4.7K）3 個

　　晶振（12MHz）1 個

　　共陽極四位數碼管1 個

　　極性電容（33pF）2 個

　　非極性電容（22uF） 1 個

　　四、超聲波測距系統原理

　　在超聲探測電路中，發射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸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，即發射超聲波與接收超聲波的`時間間隔 t，故被測距離為 S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0M晶振，所以此系

　　統的測量精度理論上可以達到毫米級。

　　超聲波測距的算法設計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時）。X2是聲波返回的時刻，X1是聲波發聲的時刻，X2-X1得出的是一個時間差的絕對值，假定X2-X1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時間里，超聲波發出到遇到返射物返回的距離如下：

　　超聲波測距器的系統框圖如下圖所示：

　　圖1 測距原理

　　圖2 系統框圖

　　五、設計方案及分析（包含設計電路圖）

　　4.1 硬件電路設計

　　4.1.1 單片機最小系統控制模塊設計與比較

　　方案一：采用MSP430系列的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅動能力強、可靠性高、功耗低、結構簡單、具有語音處理、運算速度快等優點，但考慮到我們小組對這個方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來并不是很方便。因此我們決定不再使用此方案，考慮其他方案。

　　方案二：采用STC51單片機控制。STC51單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8KB的系統可編程Flash 存儲器。AT89S52具有以

　　下標準功能： 8k字節Flash，256字節RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數據指針，三個16 位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路，能夠滿足題目設計的所有要求，而且我們對STC51單片機也比較熟悉，因此我們選擇方案二。最小系統電路圖如圖3所示

　　圖3 單片機最小系統

　　4.1.2 顯示模塊設計

　　采用四位共陽極數碼管顯示，連接電路簡單，顯示電路連接圖如圖4所示

　　圖4 數碼管顯示電路

　　4.1.3 超聲波測距模塊

　　a.本系統采用超聲波模塊URF04進行測距，該模塊使用直流5V供電，理想條件下測距可達500cm，廣泛應用于超聲波測距領域，模塊性能穩定，測度距離精確，

　　盲區（2cm）超近。

　　URF-04工作原理簡述

　　超聲波測距原理：單片機給超聲波傳感器模塊一個觸發電平，超聲波傳感器的發射管自動發送8個40KHZ的方波，當超聲波檢測到障礙物時就會信號返回，接收管接收到信號返回之后，單片機處理從單片機發送信號到接收到返回信號這段時間里超聲波傳感器模塊輸出高電平。這段高電平持續時間即為超聲波從發射到返回的傳播時間。測量距離=（高電平持續時間*波速）/2。

　　4.1.4 其他電路設計

　　a.復位電路

　　單片機在RESET端加一個大于20ms正脈沖即可實現復位，上電復位和按鈕組合的復位

　　電路如下：

　　在系統上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個正脈沖。只要該脈沖足夠寬就可以實現復位，即RC20ms。一般取R1K，C22uF。當人按下按鈕S1時，使電容C1通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，實現手動復位。R1一般取200。

　　圖5 復位電路

　　b.時鐘電路

　　當使用單片機的內部時鐘電路時，單片機的XATL1和XATL2用來接石英晶體和微調電容，如圖所示，晶體一般可以選擇3M~24M，電容選擇30pF

　　篇三：超聲波測距儀實驗報告

　　一．超聲波測距儀原理

　　超聲波發生器內部結構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，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波本時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲探測電路中，發射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸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，即發射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用12.0M晶振，所以此系統的測量精度理論上可以達到毫米級。

　　超聲波仿真采用AT89C52，實際運用AT89S52單片機,晶振:11.0592M,單片機用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40KHZ方波信號,利用外中斷1口監測超聲波接收電路輸出的返回信號,顯示電路采用簡單的4位共陽LED數碼管,斷碼用74HC245,位碼用三極管驅動。超聲波測距的算法設計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時）。X2是聲波返回的時刻，X1是聲波發聲的時刻，X2-X1得出的是一個時間差的絕對值，假定X2-X1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時間里，超聲波發出到遇到返射物返回的距離，

　　超聲波測距器的系統框圖如下圖所示：

　　二．超聲波測距儀硬件部分

　　超聲波學習板采用仿真用了AT89C512，實物用的是或AT89S52單

　　片機,晶振:11.0592M,單片機用P1.0口輸出超聲波換能器所需的40KHZ方波信號,利用外中斷0口監測超聲波接收電路輸出的返回信號,顯示電路采用簡單的'4位共陽LED數碼管,斷碼用74HC245,位碼用三極管驅動. 主要由單片機系統及顯示電路、超聲波發射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。采用AT89S52來實現對CX20106A紅外接收芯片和T40-16系列超聲波轉換模塊的控制。單片機通過P1.0引腳經反相器來控制超聲波的發送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變為低電平時就認為超聲波已經返回。T1計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。

　　該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機、發射/接收電路和LED 顯示器組成。

　　傳感器輸入端與發射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時序圖如圖1-2 所示。

　　1.單片機系統及顯示電路

　　單片機采用89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波轉化器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數碼管，段碼用74LS245驅動，位碼用PNP三極管驅動。單片機系統及顯示電路如下圖所示.

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