0傳感器與測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)一、課程設(shè)計(jì)目的 2二、課程設(shè)計(jì)題目 2三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 21、設(shè)計(jì)內(nèi)容 22、設(shè)計(jì)要求 2 2五、系統(tǒng)框圖 4六、單元電路設(shè)計(jì)原理 41、LED顯示電路與鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì) 42、超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 53、超聲波接收電路設(shè)計(jì) 74、串口通信與蜂鳴器電路設(shè)計(jì) 8七、軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)調(diào)試 91、主程序流程圖 1.1發(fā)射程序與接收流程圖 1.2中斷子程序及流程圖 1.3距離計(jì)算與顯示子程序 八、設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法 通過(guò)《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì)，掌握傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)2)測(cè)量范圍：30cm～200cm,3)誤差<0.5cm。4)其它。1)掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。2)獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲接收波換能器。超聲測(cè)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(cè)量電壓即可測(cè)得距離；②測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t,測(cè)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(guò)測(cè)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d=√s2-(h/2)2。因?yàn)閟》h,則d=s,d=s=ct/2。本測(cè)量電路采用第二種方圖4-1測(cè)距原理圖在空氣中，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(qiáng)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(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過(guò)對(duì)溫度補(bǔ)這樣，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T,就可以精確計(jì)表4-2聲速與溫度關(guān)系表：0路六、單元電路設(shè)計(jì)原理1、LED顯示電路與鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)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(lèi)型不同而已。最簡(jiǎn)單最直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，而復(fù)雜的教完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實(shí)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(guò)單片機(jī)編程實(shí)動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)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(gè)筆劃斷a—dp同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立的受I/0線的控制。CPU向字段輸出口送出字型碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字型碼，但究竟是哪個(gè)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(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的 (約1ms),但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非人同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點(diǎn)亮LED數(shù)碼管無(wú)位選信號(hào)，各數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的，每個(gè)數(shù)碼管顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時(shí)送給，其原理比較簡(jiǎn)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/0接線口和增用不少硬件芯片，成本較高。因此，我采用動(dòng)態(tài)掃描。設(shè)計(jì)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(jī)的PO口來(lái)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)镻O口的內(nèi)部無(wú)上拉電阻，需在外部接上拉電阻；位碼則通過(guò)4個(gè)NPN型三極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)接單片機(jī)P2口。顯示電路如圖6-1所示。PNPDS1?3DS253DS3圖6-1顯示電路S4為預(yù)留出來(lái)的按鍵，當(dāng)需要的時(shí)候可以實(shí)行編程控制。電路設(shè)計(jì)如圖6-2所示。圖6-2鍵盤(pán)控制電路射與接收可采用一體式的或獨(dú)立式的，但是一體式的盲區(qū)問(wèn)題比較嚴(yán)重，所以本次設(shè)計(jì)選擇發(fā)射和接收探頭分開(kāi)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●輸出電壓：≥115dB方波脈沖信號(hào)。40kHz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振式電路，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(dòng)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(shí)間。發(fā)射電路如圖6-3所示。圖6-3超聲波發(fā)射電路將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT4負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2(INTO)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。CX20106A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81腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。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(yīng)靈敏度低；若4腳：接地端。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路的輸出方式阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kQ,沒(méi)有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則接收部分的電路如圖6-4所示。圖6-4超聲波接收電路簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率fO可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當(dāng)接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號(hào)時(shí)，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到SST89E564的INTO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40kHz,就可達(dá)到理想的效果。需要4個(gè)0.1μF的電容器，可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，電路如圖6-5所示。JJ878O-37261DB9連接口3C2-9594C1-4625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(fù)極接到三極管的時(shí)，三極管導(dǎo)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(guò)程序控制P1.1腳的電平來(lái)使蜂鳴器發(fā)出聲音。當(dāng)P1.1輸出高電平時(shí)，三極管截止，沒(méi)有電流通過(guò)線圖6-6蜂鳴器電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括中斷主程序、入口程序、定時(shí)器0中斷程序、主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器TO工作模式為16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并清計(jì)數(shù)器，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送避免超聲波從發(fā)射器直接傳到接收器引起的直射波，需要延時(shí)0.1ms(這也就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后才可打開(kāi)外部中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采程序流程圖如圖7-1所示。開(kāi)始開(kāi)始單片機(jī)初始化發(fā)射脈沖N判斷是否有回波Y接收脈沖計(jì)算距離圖7-1主程序流程圖外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計(jì)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40kHz方波，而P3.2(INTO)則被用來(lái)接收回波。定時(shí)器T1,TO均工作在工作方式1,為16位計(jì)數(shù)，T1定時(shí)器被用來(lái)開(kāi)啟一次測(cè)距過(guò)程值均設(shè)為0.超聲波的接收由接收子程序來(lái)執(zhí)行，接收子程序如圖4-2所示。首超聲波，接收端判斷是否有回波，若時(shí)間大于30ms仍沒(méi)檢測(cè)到回波則重新發(fā)射超聲波；若初始化初始化YNN時(shí)間>30msN顯示是回波信號(hào)?Y軟件濾波圖7-