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標(biāo)題: 超聲波傳感與檢測課程設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)告等資料下載 [打印本頁]

作者: 2294012034 時(shí)間: 2018-4-11 16:17
標(biāo)題: 超聲波傳感與檢測課程設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)告等資料下載

電氣工程學(xué)院

傳感與檢測課程設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)告

班級(jí)：自141

姓名：鄭*

學(xué) 號(hào)：141*

設(shè)計(jì)項(xiàng)目：帶溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

學(xué) 期：2016 - 2018 - 2

評(píng)定成績：

一、前言

課題背景：

在日常生活和工業(yè)控制中，經(jīng)常會(huì)需要進(jìn)行位置監(jiān)控和距離測量，可用的方法很多，有激光測距、雷達(dá)測距、超聲波測距。與微波雷達(dá)測距、激光測距相比，超聲波具有方向指向性強(qiáng)、能量消耗比較緩慢、在介質(zhì)中的傳播距離比較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于聲音的傳播速度和溫度有關(guān)，一般情況下，溫度每變化1℃，聲速會(huì)變化大約0． 61 m/s。因此，超聲波測距的精度受溫度影響比較大，要實(shí)現(xiàn)高精度的超聲波測距，須考慮溫度變化對聲速的影響，從而進(jìn)行必要的補(bǔ)償。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀：

近十年來，國內(nèi)科研人員在超聲波回波信號(hào)處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對超聲測距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施。目前國產(chǎn)低功率超聲波探頭，一般不能用于探測15m以外的物體，美國AIRMAR公司生產(chǎn)的Airducer AR30超聲波傳感器的作用距離可達(dá)30m,但價(jià)格較高。隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。

課題設(shè)計(jì)要求：

具體要求為：

1）利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式測距，并用溫度傳感器進(jìn)行超聲波補(bǔ)償。要求學(xué)生在查閱各傳感器資料及其應(yīng)用方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出硬件結(jié)構(gòu)圖。

2）掌握根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)并繪制硬件電路圖，并搭建、安裝和制作硬件。

3）掌握利用各種儀器設(shè)備，如萬用表、示波器等，對硬件進(jìn)行調(diào)試的基本方法

4）記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)處理方法和相關(guān)軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并加以分析，與真實(shí)數(shù)據(jù)結(jié)果對比，得出有意義的結(jié)論。

二、整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)框圖：

方案一：

系統(tǒng)工作原理和功能：

本系統(tǒng)工作時(shí)，由單片機(jī)提供 40 k Hz 的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出。超聲波在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時(shí)被反射回來，由超聲波接收器接收。當(dāng)超聲波接收器接收到反射波時(shí)，先經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路檢波處理后產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序。單片機(jī)在啟動(dòng)發(fā)射電路時(shí)同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。在外部中斷程序中讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其中溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)為：溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，設(shè)超聲波速度為v，往返時(shí)間為 t，溫度為 T，v = 331.5 + 0. 61T，距離為速度除以二可得。

方案二：

系統(tǒng)工作原理和功能：

接口向觸發(fā)引腳發(fā)送≥10 μs 的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個(gè) 40 kHz 周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號(hào)，則 3 腳輸出回響信號(hào)，所測的距離與回響信號(hào)的脈沖寬度成正比，由此可通過發(fā)射信號(hào)到收到回響信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)算得到距離。

超聲波時(shí)序圖如下：

硬件設(shè)計(jì)：

溫度測量：

可選溫度傳感器 DS18B20

由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，因此為提高精度，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償對超聲波的傳播速度進(jìn)行校正。系統(tǒng) 采用 DS18B20傳感器測量溫度，DS18B20 溫度傳感器具有不受外界干擾、精度高、測溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)口接 DS18B20 數(shù)據(jù)總線，控制 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線接 10 kΩ 的上拉電阻，作用是使總線控制器在溫度轉(zhuǎn)換期間無需一直保持高電平。

可選用AD590溫度傳感器

AD590測量熱力學(xué)溫度、攝氏溫度、兩點(diǎn)溫度差、多點(diǎn)最低溫度、多點(diǎn)平均溫度的具體電路，廣泛應(yīng)用于不同的溫度控制場合。由于AD590精度高、價(jià)格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時(shí)，輸出電壓OV隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使0V=273.2mV。或在室溫下(25℃)條件下調(diào)整電位器,使0V=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。

AD590把被測溫度轉(zhuǎn)換為電流再通過放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，輸出數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行溫度控制。

通過查閱資料與比較分析可得： AD590需要和高精度ADC配合使用才能得到數(shù)據(jù)，優(yōu)點(diǎn)是速度快，編程簡單，缺點(diǎn)是是需要校準(zhǔn)，電路復(fù)雜，成本高。DS18B20保證精度足夠，電路簡單成本低，但是編程復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度慢，但關(guān)鍵的是DS18B20性價(jià)比高，如果廣泛選用，所帶來的社會(huì)效應(yīng)比較好，有利于環(huán)保節(jié)能。

超聲波傳感器

1）選擇HC－SＲF04

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，其結(jié)構(gòu)簡單，使用單片機(jī)控制電路簡單容易，而且價(jià)格便宜。該模塊包括超聲波發(fā)射、接收與控制電路。發(fā)射電路主要由Em78p153單片機(jī)、MAX232及超聲波發(fā)射頭T40組成，接受電路主要由TL074運(yùn)算放大器及超聲波接收探頭R40組成。

超聲波發(fā)射電路：

超聲波接受電路：

2）可選用TCT40-16T和一支超聲波接收傳感器TCT40-16Ｒ。

TCT40-16T 可以發(fā)40 k Hz 左右的方波脈沖信號(hào)。信號(hào)由單片機(jī) 端口提供，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 k Hz 方波脈沖信號(hào)需經(jīng)功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測量距離要求。TCT40-16Ｒ作接收傳感器，經(jīng)LM358 放大后進(jìn) 入 LM567 進(jìn) 行鎖相環(huán) 檢波。當(dāng)LM567 的引腳輸入合適的信號(hào)時(shí)，其引腳產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在編程時(shí)將外部中斷 0 的中斷觸發(fā)方式設(shè)置為下降沿觸發(fā)，就可以通過 INT0 產(chǎn)生一個(gè)外部中斷申請，由 CPU 來檢測并理。

超聲波發(fā)射電路：

超聲波接受電路：

3）選用MAX232芯片做發(fā)射電路，選用TL074芯片作為接受電路。

MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，如圖所示，使用+5v單電源供電。MAX220–MAX249系列線驅(qū)動(dòng)器/接收器，專為EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口設(shè)計(jì)，尤其是無法提供±12V電源的應(yīng)用。

TL074芯片是四運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源供電工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。他的適用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器。