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"基于单片机的超声波LED显示电路测距仪的设计" 本设计主要是基于 AT89S51 芯片为核心的超声波测距仪,并有超声波处理模块 CX20106A、CD4069 组成的超声波发射电路、数码管显示等器件组成,包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED 显示电路。主要实现超声波测距并指示功能。 在设计中,我们可以看到,超声波测距仪的设计思路主要基于超声波的原理,即使用超声波来测量距离。超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF(timeofflight),即测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 在超声波测距仪的设计中,我们需要考虑到温度补偿的问题,因为超声波的速度与温度有关。为了提高测距的精度,可以通过温度补偿的方法来加以校正。 在设计中,我们还可以看到,超声波测距仪的系统框图主要包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED 显示电路等几个部分。单片机系统是整个系统的核心,它负责计时和数据处理。 本设计的主要目的是设计一个基于单片机的超声波LED显示电路测距仪,实现超声波测距并指示功能,并具有成本低廉和实用性强的特点。 在未来,超声波测距仪将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求。随着自动化智能化的发展,超声波测距仪将与自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。
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基于单片机的超声波 LED 显示电路测距仪的设计
摘要:本设计主要是基于 AT89S51 芯片为核心的超声波测距仪,并有超声波处理模块
CX20106A、CD4069 组成的超声波发射电路、数码管显示等器件组成,包括单片机系统、
超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LED 显示电路。主要实现超声波测
距并指示功能。依据实际的测量精度要求还可以添加温度补偿电路。本系统成本低廉,功能
实用。
关键词:AT89S51CX20106A 超声波发射模块超声波接收模块 LED 显示电路
1 引言
随着科学技术的快速发展,超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来
说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前
景的技术及产业领域。展望未来,超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方
面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会
需求,如声纳的发展趋势基本为:研制具有更高定位精度的被动测距声纳,以满足水中武器
实施全隐蔽攻击的需要;继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳,实现超远程的
被动探测和识别;研制更适合于浅海工作的潜艇声纳,特别是解决浅海水中目标识别问题;
大力降低潜艇自噪声,改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑,未来的超声波测距仪将与自动
化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。随着测距仪的技术进步,测距
仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。在新的世纪里,面
貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
随着科技的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,城市给排水系统也有较大
发展,其状况不断改善。但是,由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素,城市给排水
系统,特别是排水系统往往落后于城市建设。因此,经常出现开挖已经建设好的建筑设施来
改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰,因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系
统污水处理,人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制
系统,保证机器人在箱涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此,设计好的超声波测距仪就显得非常重要
了。这就是我设计超声波测距仪的意义。
2 总体设计方案
2.1 设计思路
2.1.1 超声波测距仪的设计思路
超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。为了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。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF(timeofflight)。首先测出超声波从发射到
遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离
测量距离的方法有很多种,短距离的可以用尺,远距离的有激光测距等,超声波测距适
用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为 331.45 米/秒,由单片
机负责计时,单片机使用 12.0MHZ 晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播距离远,因而超声波可以用于距离
的测量。利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,并且在测量精度方面也
能达到要求。
超声波发生器可以分为两类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超
声波。本课题属于近距离测量,可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
2.12 超声波测距原理
发射器发出的超声波以速度 υ 在空气中传播,在到达被测物体时被反射返回,由接收器
接收,其往返时间为 t,由 s=vt/2 即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波,其
声速 v 与温度有关,下表列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大,则
可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
表 1 超声波波速与温度的关系表
温度(℃)
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
2.2 超声波测距仪原理框图
根据设计要求并综合各方面因素,可以采用 AT89S51 单片机作为主控制器,用动态扫
描法实现 LED 数字显示,超声波驱动信号用单片机的定时器完成,超声波测距器的系统框
图如图 1.
3.设计原理分析
3.1 系统组成
3.1.1 硬件部分
主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采
用 AT89S51 来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。单片机通过 P1.0 引脚经反相器来
控制超声波的发送,然后单片机不停的检测 INT0 引脚,当 INT0 引脚的电平由高电平变为
低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间,通过换算就
可以得到传感器与障碍物之间的距离。
3.1.2 软件部分
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等部分。
3.2 系统硬件电路设计
3.2.1 单片机最小系统
其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。如图 2 所示,单片机最小系统主要由
AT89S51 单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V 电源组成。在外部振荡电路中,单片机
的 XTAL1 和 XTAL2 管脚分别接至由 12MHZ 晶振和两个 30PF 电容构成的振荡电路两侧,
为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中,单片机 RESET 管脚一方面经 20F 的电容接至
电源正极,实现上电自动复位,另一方面经开关 s 接电源。其主要功能是把 PC 初始化为
0000H,是单片机从 0000H 单元开始执行程序,除了进入系统的初始化之外,当由于程序出
错或者操作错误使系统处于死锁状态时,为了摆脱困境,也需要按复位键重新启动,因此,
复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。
3.2.2 单片机测距原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测
出发射和接收回波的时间差 tr,然后求出距离 S=Ct/2,式中的 C 为超声波波速。限制该
系统的最大可测距离存在 4 个因素:超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹
角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差,可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波
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