datasheet

基于单片机的超声波测距报警系统设计

2016-09-20来源: ofweek关键字:单片机  超声波  测距报警系统
  引言

 

  科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率,它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20~20000Hz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时,我们便听不见了。因此,我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

 

  1.超声波测距原理

 

  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,必须产生超声波和接收超声波,完成这种功能的装置称为超声波传感器。超声波传感器有发送器和接收器,有的也可具有发送和接收声波的双重作用。根据超声波的产生方式,超声波传感器可分为两大类:一类是电气式,如压电式、磁致伸缩式和电动式等;一类是机械式,如加尔统笛、液哨等。目前常用的是压电式超声波传感器。它利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即发射超声波时,将电能转换为超声波发射出去;在收到回波时,将超声振动转换成电信号。

  超声波测距的原理一般采用时间差法,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,即:

  

  式中,D—传感器与障碍物之间的距离;c—声波在介质中的传输速度。

  由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测物体不需直接接触,故超声波传感器广泛地应用于液体高度测量、汽车倒车等方面。为了提高测量精度,减小误差,根据公式(1)可知,测距误差由传播速度误差和传播时间误差引起。

  当传播速度准确时,传播时间差值精度只要达到微秒级,就可保证测距误差小于1mm。设计中,可采用12MHz 晶体作时钟的基准,单片机定时器的计数精度可达1us,从而保证测量精度。

  传播速度受空气密度的影响,空气密度越高,传播速度越快,而空气密度与温度有密切关系。在理想气体中声波的传播速度c 为:

  

  式中,γ—气体定压比热容与定容比热容之比;R—气体常数;M—气体分子量;T—绝对温度。

  若温度变化不大,则可认为声速基本不变,其值为340m/s。若测距精度要求较高,为减小温度变化对声速产生的影响,在设计中,应增加温度传感器来监测环境温度,进行实时温度补偿,近似公式为:

  

  式中,c0—零度时的声波速度332m/s; T—实际温度(℃)。

 

  2.测距报警系统设计

 

  2.1 硬件设计

  电路原理图如图1 所示。采用PIC16F73 单片机作为主控制器,实现对CX20106 红外接收芯片(红外常用的载波频率38KHz 与测距超声波频率40KHz 较为接近) 和TCT40 系列超声波转换模块的控制。单片机通过端口RB1 控制超声波的发送,然后单片机不停地检测中断端口RB0/INT,当端口RB0/INT 的电平由高电平变为低电平时,系统认为超声波已返回。计数器所计数据即为超声波所经历的时间,通过换算可得到传感器与障碍物之间的距离。超声信号的驱动由单片机定时器完成,LED 数字显示采用动静态驱动相结合的方法实现,报警模块采用简单的声光报警电路。

 

  

  图1 测距报警系统电路原理图

 

  系统利用单片机的定时器功能产生40KHz 脉冲信号, 并通过端口RB1 输出到超声波发射部分。超声波发射电路中, 六反相缓冲器CD4049 包括6个非门,现仅使用3 个,为防止干扰或被静电击穿导致整个CD4049 损坏,把未使用的3 个非门串起来做接地处理。当控制端输出一系列固定频率脉冲时,在超声波发射器TCT40-1F 上就以固定的频率加正电压和反电压,从而发出大功率的超声波。这种以软件方式产生的波形较用其他方式产生的效果更理想。

  接收器采用与发射器相配对的TCT40-2S, 将超声波调制脉冲转换为40KHz 毫伏级电压信号, 此信号需经过放大处理才能触发单片机中断。芯片CX20106 内置前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路等。其中前置放大器具有自动增益控制功能,可保证在超声波传感器接收较远反射信号而输出微弱电压时,放大器有较高的增益,而在近距离输入信号强时,放大器不会过载。调节芯片引脚5 的外接电阻R3 的值,可设置滤波器的中心频率。当RB3=200K时,中心频率为42KHz;当RB3=220K 时,中心频率为38KHz。当接收到与滤波器中心频率相符的信号时,引脚7 输出一个低电平,从而触发中断。适当改变引脚2 的外接电容C4 的值,可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
 

  3位LED数码显示采用显示器动静态驱动相结合的方法实现。采用单片机串行口通过74HC164 串入并出移位寄存器来输出LED 的段驱动信号,每个LED 的段信号都连在一起,并与74HC164 输出的段驱动信号连接。每个LED 的位驱动信号由单片机的端口RB5~RB7 通过ULN2004 驱动集成块分别驱动,LED 需用共阴数码管。

  报警模块的功能是, 当传感器与障碍物的距离不小于设定值时,绿色指示灯闪亮;反之,红色指示灯闪亮,蜂鸣器发声,提示人员注意安全距离。

  2.2 软件设计

  软件分为两部分:主程序和中断服务程序,流程图如图2 所示。主程序完成初始化工作及超声波发射和接收控制。中断服务程序包括定时中断服务子程序和外部中断服务子程序,分别完成超声波的发射、距离计算及显示报警等工作。

 

  

  图2 测距报警系统程序流程图

 

  3.测试结果

 

  当距离大于2m 时,绿灯闪亮,显示距离;当距离小于1m 时,红灯闪亮,由端口RB2 驱动蜂鸣器报警,显示距离;当距离介于2m 和1m之间时,红灯闪亮,显示距离。为提高抗干扰能力,系统连续发射超声波,测量三次,从中剔除最大最小值,取中间值计算出距离。

 

  4.结语

 

  此系统较好地实现了测距及报警功能,可用于汽车倒车、液位监控等场合,而且测量简单、经济、可靠。

关键字:单片机  超声波  测距报警系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2016092029577.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:PIC单片机中重要指令介绍
下一篇:PIC16f1937 IO口配置

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

单片机时钟的解析

时钟周期       时钟周期也称为振荡周期,定义为时钟脉冲的倒数(时钟周期就是单片机外接晶振的倒数,例如12M的晶振,它的时钟周期就是1/12us),是计算机中的最基本的、最小的时间单位。       在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲,控制着计算机的工作节奏。时钟频率越高,工作速度就越快。       8051单片机把一个时钟周期定义为一个节拍(用P表示),二个节拍定义为一个状态周期(用S表示)。机器周期       计算机中
发表于 2019-04-16
单片机时钟的解析

关于单片机通过串口发送浮点数信息

最近弄一个小东西的时候,需要将AD采集的数据,通过串口发送上位机。由于还得在下位机部分显示出来,所以这个AD采集的数据转换之后发送到串口,比较容易点。但是问题来了,以前的串口,只有从GPS模块接收的信息是浮点类型外。其他的东西,都只是把字符类型或者字符串类型的数据发到串口。 查阅了一点资料,这里是资料的链接。 单片机将浮点数从串口发送出去: 1.http://www.51hei.com/bbs/dpj-31223-1.html 采用了将浮点数转换为四个字节的数据,放到数组中,发送到串口。 2.http://blog.sina.com.cn/s
发表于 2019-04-12

单片机之STM32 中的 assert_param 函数

我们在学STM32的时候函数assert_param出现的几率非常大,上网搜索一下,网上一般解释断言机制,做为程序开发调试阶段时使用。下面我就谈一下我对这些应用的看法,学习东西抱着知其然也要知其所以然。4 断言机制函数assert_param我们在分析库函数的时候,几乎每一个函数的原型有这个函数assert_param();下面以assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));为例说一下我的理解,函数的参数IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx),我们可以寻找到原型#define IS_GPIO_ALL_PERIPH(PERIPH) (((*(uint32_t*)&(PERIPH))
发表于 2019-04-11
单片机之STM32 中的 assert_param 函数

STM32单片机常用库函数

必须在其中选择,抢占级别高的会打断其他中断优先执行,而响应级别高的会在其他中断执行完优先执行。4.FLASH:芯片内部存储器flash操作函数对芯片内部flash进行操作的函数,包括读取,状态,擦除,写入等等,可以允许程序去操作flash上的数据。 基础应用1,FLASH时序延迟几个周期,等待总线同步操作。推荐按照单片机系统运行频率,0—24MHz时,取Latency=0;24—48MHz时,取Latency=1;48~72MHz时,取Latency=2。所有程序中必须的 用法:FLASH_SetLatency(FLASH_Latency_2);位置:RCC初始化子函数里面,时钟起振之后。 基础应用
发表于 2019-04-11

C51单片机通过串口调节PWM波

PWM 是一种常用的电子控制技术PWM 本意为 脉冲宽度调制,可以简单理解为对占空比的控制。下图就是占空比图例,一个周期内高电平时间与周期时间的比值。现在的一些MCU自带PWM控制功能,但是51/52单片机还是没有这个功能。可以用程序自己实现。用到的51单片机资源如下:1.双定时器及定时器中断 2.串口和串口中断 下面看下程序:PWM.H#ifndef _PWM_H#define _PWM_H#include <reg52.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#define uint  unsigned int 
发表于 2019-04-09
C51单片机通过串口调节PWM波

51单片机之IIC&EEPROM的驱动程序

#include <reg52.h>#include "./delay/delay.h"sbit SCL = P2^0;sbit SDA = P2^1;bit ack = 0; unsigned char flag = 1;#define LCDPORT P0#define LCD_WRITE_DATA 1#define LCD_WRITE_COM 0sbit RS = P2^4;sbit RW = P2^5;sbit E = P2^6; #define SUCC 0#define ERR 1 void iic_start(){ SDA = 1;  //先操作
发表于 2019-04-08

小广播

何立民专栏

单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved