無線測距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)開題報(bào)告

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）</p><p><b>　　開題報(bào)告</b></p><p>　　題　 目 無線測距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　系　　別 電子信息與電氣工程系 </p&g

2、t;<p>　　專　　業(yè) 通信工程 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)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(yīng)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(gè)新的方向，其應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活的方方面面。當(dāng)把無線測距應(yīng)用在汽車上時(shí)，駕駛員在倒車時(shí)便可以利用無線測距的儀器起到快撞到后面的物體時(shí)而報(bào)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(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因

4、此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)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(huì)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(dòng)測距聲納，以滿足水中武器實(shí)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(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測和識(shí)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(biāo)識(shí)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(dòng)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(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)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(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)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(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求在一個(gè)無線電儀器上通過對準(zhǔn)測量目標(biāo)發(fā)射一個(gè)無線電信號(hào)，當(dāng)信號(hào)碰到被測量物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，然后計(jì)算信號(hào)傳播延遲、頻率、相位差來達(dá)到測定兩點(diǎn)間直線距離的方法。</p><p><b>　　2 主要內(nèi)容</b></p><p>　　設(shè)計(jì)內(nèi)容：整個(gè)設(shè)計(jì)方案大體上需要兩

7、個(gè)大的模塊，由單片機(jī)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(shù)碼管顯示出來，測量分辨率1cm，誤差小于0.5%。</p><p>　　整個(gè)設(shè)計(jì)的總體思路是：由單片機(jī)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(gè)超聲波信號(hào)，然后單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，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(hào)到達(dá)接收模塊電路時(shí)，接收模塊將信號(hào)傳送給單片機(jī)，然后單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，從發(fā)射

8、電路發(fā)出超聲波信號(hào)，到接收電路接收到超聲波信號(hào)，這個(gè)時(shí)間段有個(gè)時(shí)間差，單片機(jī)只要完成通過時(shí)間差來計(jì)算測量地到被測量地的距離，再把距離通過數(shù)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(dá)被測物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=vt/2 即可算出被測物體的距離。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件

9、設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)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(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)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(xiàn)場的位置監(jiān)控。</p>

10、<p><b>　　3 設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　3.1 整體設(shè)計(jì)框架</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出40kHZ 的信號(hào)，經(jīng)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(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)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(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　圖2 無線測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4 技術(shù)路線</b></p><p>　　硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)），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(jī)</b>

13、</p><p>　　單片機(jī)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(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的40kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的4 位共陽LED 數(shù)碼管，段碼用74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP三極管8550 驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　圖 3 51

14、系列單片機(jī)封裝圖</p><p>　　5l系列單片機(jī)提供以下功能：</p><p>　　4 kB存儲(chǔ)器；256 BRAM；32條工／O線；2個(gè)16b定時(shí)／計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。</p><p>　　空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)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(nèi)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(fù)位。</p><p>　　單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距的原理：</p><p>　　5l系列單片機(jī)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(nèi)</p><p>　　資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。</p><p>　　單片機(jī)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(shí)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(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)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(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法

17、。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。</p><p><b>　　4.2電路圖的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)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(cè)和右側(cè)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(chǎn)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(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式

19、將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)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(shí)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(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板

20、。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)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(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)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(jī)紅外遙控接收器?？紤]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(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)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(guān)鍵問題</b></p><p>　　整個(gè)實(shí)驗(yàn)最關(guān)鍵的問題有兩個(gè)，一個(gè)是電路圖的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是單片機(jī)上系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)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(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)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(jì)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(shí)間。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0 或INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，單片機(jī)響

24、應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)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(guān)外部中斷0</p>

25、<p>　　? MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)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(jì)算時(shí)間差</p>&

26、lt;p>　　MOV 31H, A ；存儲(chǔ)結(jié)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(shí)間安排</b></p><p>　　第一周：將所需硬件如單片機(jī)，發(fā)射芯片準(zhǔn)備好，所需軟件可以從網(wǎng)上尋找相關(guān)資料；&

28、lt;/p><p>　　第二周：到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，有問題可以請教電子愛好者協(xié)會(huì)的同學(xué)；</p><p>　　第三周：初步完成實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)并進(jìn)行調(diào)試；</p><p>　　第四周：在初步設(shè)計(jì)好的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，力求每個(gè)功能都可以工作；</p><p>　　第五周：無線測距儀完成后，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告的編寫，整個(gè)過程在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上體現(xiàn)出來；