無線測距儀的設計與實現開題報告

1、<p>　　畢 業(yè) 設 計（論文）</p><p><b>　　開題報告</b></p><p>　　題　 目 無線測距儀的設計與實現 </p><p>　　系　　別 電子信息與電氣工程系 </p&g

2、t;<p>　　?！　I(yè) 通信工程 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p><b>　　附頁：</b></p><p><b>　　1 研究背景</b></p><p>　　隨著科

3、技的迅速發(fā)展，無線電的應用越來越白熱化，例如，無線測距的研究正是如今科技發(fā)展的一個新的方向，其應用已經滲透到生活的方方面面。當把無線測距應用在汽車上時，駕駛員在倒車時便可以利用無線測距的儀器起到快撞到后面的物體時而報警的作用，可以在一定程度上避免事故的發(fā)生和保障人們的安全。</p><p>　　隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因

4、此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力

5、降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。</p><p>　　由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波

6、來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求在一個無線電儀器上通過對準測量目標發(fā)射一個無線電信號，當信號碰到被測量物體時，會發(fā)生反射，然后計算信號傳播延遲、頻率、相位差來達到測定兩點間直線距離的方法。</p><p><b>　　2 主要內容</b></p><p>　　設計內容：整個設計方案大體上需要兩

7、個大的模塊，由單片機組成控制電路和超聲波發(fā)射接收電路。該無線測距儀可以測量0.2~1.5m的距離，用數碼管顯示出來，測量分辨率1cm，誤差小于0.5%。</p><p>　　整個設計的總體思路是：由單片機組成控制電路和超聲波發(fā)射接收電路，發(fā)射電路發(fā)出一個超聲波信號，然后單片機開始計時，超聲波發(fā)出后碰撞到被測量物體，發(fā)生反射，反射的超聲波信號到達接收模塊電路時，接收模塊將信號傳送給單片機，然后單片機停止計時，從發(fā)射

8、電路發(fā)出超聲波信號，到接收電路接收到超聲波信號，這個時間段有個時間差，單片機只要完成通過時間差來計算測量地到被測量地的距離，再把距離通過數碼管顯示出來就行了。發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度υ在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2 即可算出被測物體的距離。</p><p>　　本設計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件

9、設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經單片機綜合分析處理，實現超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經過系統(tǒng)擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場的位置監(jiān)控。</p>

10、<p><b>　　3 設計方案</b></p><p>　　3.1 整體設計框架</p><p>　　單片機發(fā)出40kHZ 的信號，經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送LED 顯示。</p><p&

11、gt;　　圖1 無線測距儀原理框圖</p><p>　　3.2軟件設計流程圖</p><p>　　圖2 無線測距系統(tǒng)的軟件設計</p><p><b>　　4 技術路線</b></p><p>　　硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。</p><p&

12、gt;　　超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C 語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C 語言和匯編語言混合編程。</p><p><b>　　4.1單片機</b>

13、</p><p>　　單片機采用AT89C51 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的40kHz 的方波信號，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收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74LS244 驅動，位碼用PNP三極管8550 驅動。</p><p>　　圖 3 51

14、系列單片機封裝圖</p><p>　　5l系列單片機提供以下功能：</p><p>　　4 kB存儲器；256 BRAM；32條工／O線；2個16b定時／計數器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。</p><p>　　空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時／計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。</p><p>　　掉電方式：保

15、存RAM的內容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。</p><p>　　單片機實現測距的原理：</p><p>　　5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內</p><p>　　資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。</p><p>　　單片機發(fā)出超聲波測距是通過不

16、斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差tr，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。</p><p>　　限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設計方法

17、。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關。</p><p><b>　　4.2電路圖的設計</b></p><p>　　本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用AT89C51，經濟易用，且片內有4K 的ROM，便于編程。電路原理圖如圖2-4 所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側和右側測距電路與前方測距電路相同，

18、故省略之。</p><p>　　圖4 無線測距電路原理圖</p><p>　　4.2.1產生波發(fā)射電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式

19、將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。</p><p>　　圖4 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板

20、。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率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。</p><p>　　4.2.2超聲波接收電路</p><

21、p>　　集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2-3)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　圖5 超聲

22、波接收電路</p><p><b>　　5 關鍵問題</b></p><p>　　整個實驗最關鍵的問題有兩個，一個是電路圖的設計，另一個是單片機上系統(tǒng)軟件的設計。超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器

23、與反射物體的距離。距離的計算公式為：d=s/2=(c×t)/2 （1）</p><p>　　其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程，c 為聲速，t 為聲波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0 或INT1 端產生一個中斷請求信號，單片機響

24、應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。</p><p><b>　　部分源程序如下：</b></p><p>　　RECEIVE0：PUSH PSW</p><p><b>　　PUSH ACC</b></p><p>　　CLR EX0 ；關外部中斷0</p>

25、<p>　　? MOV R7, TH0 ；讀取時間值</p><p>　　MOV R6, TL0?</p><p><b>　　CLR C</b></p><p><b>　　MOV A, R6</b></p><p>　　SUBB A, #0BBH；計算時間差</p>&

26、lt;p>　　MOV 31H, A ；存儲結果</p><p><b>　　MOV A, R7</b></p><p>　　SUBB A, #3CH</p><p>　　MOV 30H, A?</p><p>　　SETB EX0 ；開外部中斷0</p><p><b>　　POP

27、 ACC?</b></p><p><b>　　POP PSW</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p><b>　　6 時間安排</b></p><p>　　第一周：將所需硬件如單片機，發(fā)射芯片準備好，所需軟件可以從網上尋找相關資料；&

28、lt;/p><p>　　第二周：到學校實驗室去進行實驗的設計，有問題可以請教電子愛好者協(xié)會的同學；</p><p>　　第三周：初步完成實驗儀器的設計并進行調試；</p><p>　　第四周：在初步設計好的基礎上進行完善，力求每個功能都可以工作；</p><p>　　第五周：無線測距儀完成后，進行畢業(yè)設計報告的編寫，整個過程在實驗報告上體現出來；