带温度补偿的超声波测距系统设计.docx

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1、0南通大学传感器与检测课程设计（预习）报告项目：带温度补偿的超声波测距系统设计班级：姓名：学号：联系方式：学期：2015-2016-2前言3一. 课题调研31.1传感器选型31.1.1可选温度传感器DS18B20 31.1.2可选用AD590温度传感器41.2超声波传感器51.2.2选用MAX232芯片 做发射电路71.2.3超声波发射电路812.4超声波接收电路 101.2.5选用TL074芯片作为接受电路1113多种实现方法。121.3.1方法一：系统结构框图12132工作原理121.3.3方案二：系统结构图如下。 13二. 总体设计142.1电路图142.1.1超声波模块电路142.2.

2、1主程序设计。19前言以AT89S51单片机为核心，设计了一种带温度补偿的超声波测距 系统。系统包括单片机、超声波发射及接收模块、温度补偿模块、信 息显示模块。温度补偿模块采用温度传感器DS18B20采集环境温度， 根据超声波速度与温度值的对应关系及时修正波速，以纠正温度的变 化引起超声波测距系统产生的误差。一.课题调研1.1传感器选型集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感 器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可 完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器 的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速 度快、传输距离远

3、、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不 需要进行非线性校准，外围电路简单。1.1.1可选温度传感器DS18B20由于声音的速度在不同的温度下有所不同，因此为提高精度，应 通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正。系 统采用DS18B20 传感器测量温度，DS18B20温度传感器具有不受外界干扰、精 度高、测温范围宽等优点。单片机口接 DS18B20数据总线，控制 DS18B20进行温度转换和传输数据，数据总线接10 kQ的上拉电 阻，作用是使总线控制器在温度转换期间无需一直保持高电平。DS18B201.1.2可选用AD590温度传感器AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低

4、温 度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由 于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和 热电偶的冷端补偿。AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因 为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的 电阻之和为1kQ时，输出电压勺随温度的变化为1mV/K。但由于AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法 为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使匕=273.2mV。 或在室温下(25C)条件下调整电位器，使匕=273.2+25=298.2 (mV)。 但这样调整只可保证在0C或25C附近有较

5、高精度。AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出 数字量送给单片机进行温度控制。通过查阅资料与比较分析可得：AD590需要和高精度ADC配合 使用才能得到数据，优点是速度快，编程简单，缺点是是需要校准， 电路复杂，成本高DS18B20保证精度足够，电路简单成本低，但是 编程复杂，转换速度慢，但关键的是DS18B20性价比高，如果广泛选 用，所带来的社会效应比较好，有利于环保节能。综上所述：由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转 换、接口全部集成于一个芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590 相比是更新一代的温度传感器，DS18B20不需要AD转换，精度高

6、， 电路简单且成本低，可行性好，经济性好，所以选用DS18B20O1.2超声波传感器1.2.1超声波传感器HC- SRF04。选用HC-SR04集成发射与接 收HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测 功能，其结构简单，使用单片机控制电路简单容易，而且价格便宜。 该模块包括超声波发射、接收与控制电路。发射电路主要由Em78p153 单片机、MAX232及超声波发射头T40组成，接受电路主要由TL074运算放大器及超声波接收探头R40组成。实物如图如下超声波发射电路超声波接受电路1.2.2选用MAX232芯片做发射电路HUT卿UM-4INn41研YX讷）2INt酬2

7、IHi:urata皿MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的 单电源电平转换芯片，如图所示，使用+5v单电源供电。MAX220 -MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.2&V.24通 信接口设计，尤其是无法提供12V电源的应用。D, DW, N, OR NS PACKAGE MAX?321 D, DW, OR N PACKAGE (TOP VIEW).uL 116J 2指i 31443561410ggvccGND noujRUN R1OUTFUNT2tN R2OUTC1 + Vg+ C1C2* C2- V牛 T2OUTR2IN发射电

8、路如图1.2.3可选用TCT40-16T和一支超声波接收传感器TCT40-16R。TCT40-16T可以发40 kHz左右的方波脉冲信号。信号由单片机 端口 提供，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲信号需经功 率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求。TCT40-16R作接 收传感器，经LM358放大后进入LM567进行锁相环 检波。当LM567的引脚输入合适的信号时，其引脚产生一个负跳 变，在编程时将外部中断0的中断触发方式设置为下降沿触发，就 可以通过INT0产生一个外部中断申请，由CPU来检测并理。1.2.3超声波发射电路74LS04是德州仪器生产的六反向器，总共有14

9、个引脚，引脚 1A6A是输入端，引脚1Y6Y是输出端，另外还有两个分别是电源的正负Vcc和GND端电源电压Vcc的允许范围是4.75V5.25V,输入高电平电压最小值是 2V,输入低电平电压最大是0.7V，输出高电平的时候电流时400， 输出低电平的时候电流是8mA，输出由低到高或者由高到低的传输 时间最大时15ns。超声波发射电路利用单片机AT89C51的P3.端口发射40kHz的方波，通过芯片74LS04六反向器来驱动超声波 传感器来发射超声波。该测距电路的40kHz方波信号由单片机的 P3.5发出，方波的周期为1/40ms，即25s，半周期为12.5s。每隔半 周期时间，让方波的输出引脚

10、电平取反，便可以产生40kHz的方波。 因为我们的单片机采用的晶振是12M的，单片机的时间分辨率是 1s，所以只能产生半周期为12s或者13s的方波信号，频率分别是 41.67k Hz和38.46k Hz，本系统选择了后者，让单片机产生38.46k Hz 的方波。74LS0474L&04单片机的引脚产生的40kHz的方波信号，一路经74LS04的一 级反向后送到超声波发射传感器的一个电极；另一路经过二级反向后 送到超声波发射传感器的另外一个电极。利用这种推挽的方式把方波 信号加到超声波发射传感器的两极，这样的方式能增强超声波的发射 强度，另外输出端采用两个反向器并联的方式来增强系统驱动能力，

11、两个上拉电阻一方面可以提高反向器的驱动能力，另一方面可以增加 超声波传感器的电气阻尼效果，大大缩短电气振荡的时间。1.2.4超声波接收电路CX20106A采用8脚单列直插塑料封装，主要由以下几个部分组 成前置放大器，限幅放大器，带通滤波器，检波器，积分器和整形电 路，CX20106A在输入微弱信号的时候，前置放大器具有很高的增益， 而在输入强信号的时候又不会过载。内部的滤波器中心频率可以由其 引脚5外接电阻进行调节，范围可以从30k Hz60k Hz。CX20106A的工作过程如下：前置放大器把超声波接收传感器检测到的微弱电压信号进行放大，电压增益约为80d B,然后将放大后的信号送给 限幅放

12、大器，使其转变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择， 消除干扰信号，然后经过整形后，由其引脚7输出低电平。1.2.5选用TL074芯片作为接受电路TL074芯片是四运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源 使用，也适用于双电源供电工作模式，在推荐的工作条件下，电源电 流与电源电压无关。他的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和 其他所有可用单电源供电的使用运算放大器。4QUT4tN-4IN +1 VGC- 瑚+ I 3!N-3OUTIL074芯片结构如图3I1QUT1IN-11N*VCC *2IH +2IN-2OUT接受电路如图所示:vcc综上所述：选用TL074芯片作为接受电路，选用MAX2

13、32芯片做 发射电路。但是由于学校器件选购不合适等等原因，最终选择集发射 和接受为一体的HC-SR04，编程简单，可行性好，经济性也好，是很好的选择。1.3多种实现方法。1.3.1方法一：系统结构框图我托环检渡AT89S51单片机渝人控fil1.3.2工作原理系统工作原理和功能本系统工作时，由单片机提供40 kHz的脉 冲信号，经放大后通过超声波发射器输出。超声波在空气中传播，在 到达被测物体时被反射回来，由超声波接收器接收。当超声波接收器 接收到反射波时，先经放大器放大，用锁相环电路检波处理后产生一 个负跳变，在INT0产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请 求，执行外部中断服务程序。单

14、片机在启动发射电路时同时启动单片 机内部的定时器T0，利用定时器记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。在外部中断程序中读取时间差，计算距离。其中温度补偿环节为：温度补偿环节，设超声波速度为v，往返时间为t，温度为T，v = 331.5 + 0. 61T，距离为速度除以二可得。1.3.3方案二：系统结构图如下。起声液传感器龟源/农射部分HCSRW芯月/超声波传感器t.捋咬邹令_单片机STCS9C52DS1SB2D%/IX。或LED昱示祁接口向触发引脚发送N10 us的脉冲触发信号，该模块内部将 发出8个40 kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号， 则3脚输出回响信号，所测的距离与回响

15、信号的脉冲宽度成正比， 由此可通过发射信号到收到回响信号的时间间隔计算得到距离。超声 波时序图10 JLS的TTL触发信号_ _循环发出忍人WkHz脉冲模块内部|发出信号JgJ明1顼舟点戒比研综上所述:由于元器件的限制，最终选择第二种设计方案，同时， 第二种方案，方便简单可行性高，同时经济性好，对社会环境影响小， 所以选择第二种方案，有利于低碳环保可持续发展。二.总体设计2.1电路图2.1.1超声波模块电路TL074接受电路MAX232发射电路MAX232淮 XT：T1 OUTRUNT2DUTR2IN驴曰*1 叮EXTm1nF-Il.I -1nF=TEXT=-1DDnF c6I1IDJnF3U&=Tfe；Q GND*ID sgz4b 4uJo toa.1IIK?.1服4F.5r7IiiP|H：七JI12i.1 4M15If：PLAYE 17L18IC9孔1PniTZEXp巴.EiVIINTO.IlTOri_阡而T、E,Z.k.r：/RESI卜飞1L_山J-xi；-；、_；r，E；.P.r n?l：H:.W2.2.1主程序设计选用社会效益、环保效益好的HC-SR04主程序流程图如下加入温度传感部分