文獻翻譯基于微控制器的超聲波測距儀的設計與仿真

1、文獻翻譯 題 目 基于微控制器的超聲波 測距儀的設計與仿真 學生姓名 專業(yè)班級 自動化 學 號 院 （系） 電氣信息工程學院 指導教師 完成時間 2014 年06月01日 作者: 石彥斌 劉紅 郝雪刊登于期刊物理學會志，2012年基于微控制器的超聲波測距儀設計及仿真摘 要本文介紹了基于微控制器AT89C2051的超聲波測距儀的技術原理,從理論和實驗兩方面上研究了超聲波測距儀的性能特點。研究的主要目的是確定硬件原理電路和主要的軟件設計,并使用Pspice對硬件電路的關鍵部分進行了仿真。這篇論文證明了這種類型的超聲波測距儀是可用的。關鍵詞 超聲波測距儀 DDS 信號源 微控制器1 簡介超聲波具有指

2、向性強、能量消耗緩慢、在介質中傳播的距離較遠等許多特性。超聲波在兩種介質中傳播時，其傳播速度會因介質聲阻抗的不同而有所差異。當兩個不同介質之間的聲阻抗的差異過大時，超聲波會從兩種介質的接觸面被反射回來，因而超聲波經常應用于距離測量。在常溫下, 空氣的聲阻抗是415Pas/m, 而水的聲阻抗是1.48×106 Pas/m, 鋼的聲阻抗是4.5×107Pas/m, 因此可以通過超聲波對空氣和鋼、或空氣和水表面之間進行距離測量和位置測量等等。超聲波測距儀的原理是超聲波在某一時間向某方向放出超聲波，同時開始計時，然后超聲波在空中傳播，撞擊到障礙物并被反射，接收反射超聲波的接收器會立

3、即停止計時，根據計時器記錄的時間，超聲波發(fā)射點與障礙物之間的距離就可以計算出來。在本論文中，將采用 AT89C2051 微控制器為核心，利用超聲波的特點設計出低成本、高精度，帶有數字顯示功能的測距儀。2 系統(tǒng)特性描述和技術特點測距儀的主要功能是進行6米范圍內的距離測量。其特點是：電路簡單，體積??；采用微控制器技術，并且具有高可靠性和測量精度；采用低損失消耗功率組件，從而減少故障率；采用數字液晶顯示，易于使用。測距儀的主要技術性能： 測量距離范圍:0.7-6m; 測量誤差:1.7%; 分辨率:0.01m; 主要硬件:AT89C2051 微控制器, 超聲波探測頭(UCM-R40 and UCM-T

4、40), 液晶數字顯示模塊(TR0802B).3系統(tǒng)設計與改善系統(tǒng)的結構框圖如圖3-1所示。打開工作電源，微控制器數據處理單元初始化，圖3-1 系統(tǒng)框圖形成 40 KHz 的方波，打開計時器，傳輸正弦波；計時器開始計時的同時，電流經過功率放大器，驅動超聲波裝置發(fā)射超聲波。當超聲波到達反射面時，反射面反射回超聲波，被反射回的超聲波到達接收端，反射的信號經過整波、放大、按順序有次序地發(fā)送到微控制器，微控制器斷開計時器，微波接收端停止接收信號。測距儀可以根據計時器所記時間計算距離，計算公式如下所示： S=V(t-t0)2 (1)超聲波在空氣中的傳輸速度是: V=V01+T273 (2)3.1硬件設計

5、系統(tǒng)硬件體系結構分為四個部分：5V電源；進行數據處理的微控制器電路和顯示部分；超聲波變送器部分；接收器和放大器單元。圖3-2是基于微控制器的超聲波測距儀的電路圖。電源單元使用三個集成穩(wěn)壓器78L05，為微控制器和放大器電路提供穩(wěn)定的+ 5V電壓。微控制器使用美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能的CMOS 8位AT89C2051單片機，它是符合行業(yè)標準的MCS-51結構，是一種功能強大的微控制器，它可以提供很多靈活有效的方法來設計嵌入式控制應用程序。在本設計中，它產生40千赫傳送信號，接收回波信號、根據內部計數器記錄的傳播時間計算距離并控制RT0802B 液晶顯示模塊顯示出距離。RT0802B

6、是顯示單元；AN1是用來控制RT0802B的背光燈；RW1用于調整顯示屏的對比度；AN2用于控制測距儀的工作開關條件。傳輸電路由CD4069 反相器組成，這個電路很簡單（見示意圖），U1B和U1A，U1E和U1F共同增強了輸出電流；第4、第2引腳和第10、第12引腳的輸出電壓是反向的。這種情況下，發(fā)射器可獲得高峰值是9V的交流正弦信號（超聲波發(fā)射器的 Q 值很高，只對基本波信號有影響，高次諧波沒有影響)，增強發(fā)射功率。前置放大器選擇大眾化的超聲波低功耗集成運算放大器 LM324、能夠接收微弱的信號并進行放大。U3B輸出2.5 V電壓，為其他放大器提供偏置電壓，考慮超聲波接收器的輸出阻抗很高,U

7、3D 作為電壓跟隨器設計，以提高放大器電路的輸入阻抗,U3A 由帶通濾波器組成,其中心頻率是40KHz和增益是20，它可以過濾各種不需要的信號,U3C由反相放大器構成，其增益為10。所以總增益是接收端的200倍。LM393的低功率消耗雙極比較器是對回波信號整波的單元，它能修正接收信號，并輸出方波至微控制器。 其中，T是絕對溫度，V0= 331.4 m /s，S 是探測距離,V是超聲波的傳播速度。超聲波的傳輸速度會受到溫度和介質的影響。t是記錄的時間，t0是系統(tǒng)的延遲。如果測距精度要求高，可以通過溫度或經驗補償的措施進行調整。如果測距儀精度要求不是很高,通常V可以是340 m/s。圖3-2 基于

8、微控制器的超聲波測距儀的電路圖3.2硬件仿真對電路進行仿真測試是有利于優(yōu)化設計的調試的方法。完成最初設計好的綜合電路后、 電路調試工作主要集中于帶通濾波器的硬件電路。為了方便調試、使用 Pspice對此電路進行了仿真、對照結果確定了具體參數、并且增強了系統(tǒng)性能。圖3-3是仿真電路原理圖，圖3-4 是幅頻特性的仿真曲線，由圖可以看出，通過選擇相應的組件，頻率放大器的參數已經是最理想的了，中心頻率是超聲波工作中心頻率40KHz.圖3-3 Pspice 中的模擬電路 圖3-4 Pspice 中的仿真結果3.3軟件設計軟件設計主要包括兩個部分，主程序和中斷程序，如圖3-5所示。主程序主要控制完成初始化

9、、發(fā)射超聲波和接收信號等。定時中斷服務子程序主要完成回波的接收；外部中斷服務子程序主要完成讀取時間值、距離計算等等。圖3-5 軟件流程圖 40kHz 脈沖的產生和超聲波發(fā)射測距儀使用的超聲波傳感器是壓電陶瓷傳感器UCM40，它的工作電壓是由微控制器提供的40kHz脈沖信號。距離測量電路的輸入的端連接到的微控制器的P3.0端口。微控制器從P3.0 端口輸出40 kHz脈沖信號，這個信號通過LM4069，在超聲波探測頭UCM40T放大、向外發(fā)送40 kHz的脈沖超聲波，并保持200ms 超聲波接收和處理接收探測頭使用UCM40R，將超聲波脈沖調制成為交流電壓信號，然后再經過U2B及運算放大器U2A

10、。U2B和外圍電路組合成帶通濾波器，對接收信號進行濾波整波。微控制器啟動內部計時器T0的同時啟動傳輸電路，并開啟計時器記錄時間。當測距儀接收到反射回的超聲波，接受電路的開關會在INT0或INT產生一個中斷請求信號，微控制器響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序、讀取記錄的時間，計算出距離。 提高測量精度由于溫度對速度的影響，這一測距系統(tǒng)的精度是有限的。所以我們可以根據論文5來增進設計。超聲波在空氣中的傳播速度已經根據經驗進行過修正；同時不斷改變組件參數并對結果多次仿真。結果表明這些措施有力地提高了超聲波距離測量的精確度。4測量和統(tǒng)計數據在此設計中利用超聲波的傳輸特性及AT89C2051微控制

11、器所設計的超聲波測距儀，無論從仿真結果，還是從最后的實際測試來看，都取得了令人滿意的成果。表 1 是在常規(guī)條件下到三種不同介質間的距離結果。表1 測量和統(tǒng)計數據介質實驗值(cm)實際值(cm)誤差(%)瓷質墻面3006003026030.670.5鋼3006003046031.330.5水3006003056081.671.335. 總結這一系統(tǒng)可測量距離范圍為0.7米至6米，滿足了預期中的設計要求和目標。由于受到聲波功率限制，其最大射程有限，如果需要增加測量距離，可以通過放大超聲波功率實現(xiàn)，這種超聲波測距儀設計可用于汽車和貨輪等等。參考文獻1 J.Buckley. Design of ult

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