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论文写作模式-智能身高测量系统的设计

2021-03-24 16:09


   利用超声波技术设计了一种人体身高测量仪。课题设计选取市场上熟悉的AT89C51单片机和节能环保的超声波发射接收装置进行设计,来完成本次设计的要求和目的。基于51单片机功能强大、设计简洁等优点,本次设计使用C语言程序设计来完成身高测量仪。超声波传感器功能优异,使用便捷,并且价格不贵。在智能机器人,车辆运营,交通管理,以及仓库和材料测量等使用普遍。超声波传播不易遭到干扰,在传播过程中损耗小,并且在空气中传播的间隔较远,因而常常用于距离测量、物体地理位置测量等能够经过超声波完成距离测量。为此,深化砖研超声波的发生和传达方式,开辟出高性能的超声波换能器及发射和收回电路,对超声波测量技术的发展前景有十分重要适用价值

 
  该设计引荐了基于嵌入式微处理器(即单片机)管制的超声波测距原理:由AT89C51为管制器,设计了超声波的发射和接收电路,实行微机测量和监控,从而得到实测距离,采纳数据管理,距离由数码管显示,WTD588D来语音播报,DS18B20对温带来的干扰进行调解。该仪器简洁便利,智能化与测量精度较高,可较好地应用于身高测量。
 
  由于科技的突飞猛进,我们的文教生活和物质需求变的愈来愈丰富多彩。对生活的健康要求也愈来愈注视,因此产生了五花八门的设施和设备来帮我们测试健康情况,让我们对自身健康满意。身高是人体形态结构和发育水平的关键指标之一,尤其对于正在长身体的青少年来说,身高可以反映出他们的身体发育是否正常,而对于追求美好身材的人群来说,更是无时不刻在关注自己的身高,另外,对于从事某些特别行业的人群,身高则成为掂量他们的一个重要数据。本文设计了一种以超声波与单片机技术为基础的人体身高测量仪。超声波检测常常比较快捷、计算简洁、对与我们来说比较好控制等特点,与此同时仪器价格不昂贵,容易让我们操作,还具有一定的适应能力。这使我们的仪器既保证了精度又能直观简洁。
 
  在将来,不容争辩,超身波测量身高技术将走向智能化,发展的愈来愈辉煌。跟随着测量仪技术的蒸蒸日上,智能测量身高技术不会像现在一样单单只具有判断能力,逐步发展,最终向人工智能方向进步,到时候智能测量身高就不会只是测量个身高这么简单了。在未来,焕然一新的测量设备将发挥今非昔比的作用。
 
  1.1.2设计意义
 
  由于超声波测身高是一种不用人们去直接接触的测量方法,而且周围环境对身高测量的干扰微乎其微,会让我们的身心健康的去完成测量。在一些高温环境,潮湿环境等恶劣环境下,不容易发生故障并且寿命比较长。所以超声波测距系统被人们所青睐,将它使用在许许多多的行业。我相信在将来超声波测量技术会有举足轻重的地位,超声波测量技术也会有更辉煌的发展,让我们能更好的使用,与此同时对智能测量身高的探究,还能让我自己对单片机的学习和运用,电路设计水平更上一层楼。
 
  1.2国内外研究动态
 
  目前主要的测量方法是主动式测量,例如使用身高尺、超声波、红外等方式。在智能化程度兴盛发达的现在,不用接触的测量方式愈来愈普及,要求也越来越苛刻。多种多样的非接触测距方式实现,探究到测量精度、受环境影响因素、实行的难易程度等测距的因素,超声波测量应时而生。目前超声波测距方法中渡越时间法与其他方法相比使用更广泛。
 
  国内:国内的科技工作者在探究超声波换能器、超声波回波信号处理等方面做了大量的实验,得到了许多数据和理论支持,并对干扰测距的因素,例如温度等做出的解决方案是温度补偿等,升高了测量精度,让非接触式测量技术突飞猛进。但是现在国内超声波测量仍相对来说技术落伍、功能低效,而且应用于多个方向的测距器也罕见。国内的早期测距仪也是从简单机械原理出发的,但随着全世界非接触式测量技术的进步,国内位移测距器在各方面也不甘示弱,甚至在一些地方技术含量更高。
 
  国外:起初国外也是简单的机械原理测量,伴随着全世界科技的扶摇直上,形形色色的身高测量方式孕育而出,例如三维光学测量,X线为载体的测量方法等。对比看来,国外测距仪新技术广泛应用,并且种类繁多。表现出:智能身高测量仪;非接触测量方式的身高测量仪;新原理的便携式身高测量仪。
 
  伴随着全世界科学技术的日新月异,超声波测量身高技术将会使用愈来愈广泛。但是目前我们的科技水平还是有限的,我们可以使用的测量身高技术还很单一。展望未来,智能超声波测量身高仪将作为一种全新的人工智能工具,在我们日常生活中随处可见并且具有很好的发展空间,它会向更高的定位和更高的精度方向发展,伴随着社会文明的进步,来满足着社会的需要。
 
  1.3研究的主要内容
 
  我们通常把频率大于20KHz的机械波称为超声波。因为超声波具有方向性强,能量损耗比较缓慢的特点,因而常常把超声波当作工具来测量距离。我们如果要使用超声波来测量距离,必须要知道发射超声波和接收超声波的原理,具有这个功能的结构就叫超声波换能器。超声波传感器有发送电路和接收电路,超声波换能器是用压电效应让电能和超声波彼此转化。
 
  超声波测量身高的原理通常采用回波探测法,也被叫作渡越时间法。就时从超声波被发射的时刻开始计时,遇到障碍物反射产生回波,回波被超声波接收器接收时停止计时,这个时间段乘以声速得到声源到障碍物距离的两倍。这个过程采用了以下4种技术:
 
  a、单片机原理:AT89C51系列的单片机它的身材小、构造简单、质量轻、而且不贵,为学习和使用提供了方便的条件,能够控制功能体现的淋漓尽致,因此它得到了普遍的使用,如今我们的大部分电子和机械设备中或多或少会有集成单片机。
 
  b、超声波测量:超声波操作容易、系统简洁及计算简单的好处以经被大范围使用在各行各业,把优点展现的酣畅淋漓。
 
  c、显示:当数据计算完成后,单片机控制共阳极数码管显示测量的距离。
 
  d、语音模块:ISD1730A语音芯片来进行语音播报,实时播报出测得的距离。
 
  1.4课题设计的任务和要求
 
  本文设计的智能身高测量系统由四部分组成:51单片机核心控制模块、超声波发射接收模块、语音实时播报模块、数码管显示模块.此系统不仅可以实时监测有无人在测试,还可以根据测量出的身高,提示其应该保持的体重范围,增强人们对自身健康的重视。具体包括整体方案设计、硬件电路设计、C51程序和显示程序
 
  第2章总体方案
 
  2.1方案选择
 
  超声波人体身高测量仪选用AT89C51作为处理器,温度传感器对周围环境温度进行测量,并将温度信号传给51单片机,控制温度补偿模块进行温度补偿。超声波发射器向指定方向发射声波,在发射的时刻开始计时,一直向指定方向前进,直到碰到障碍物反射就会产生回波,回波返回让超声波接收电路接收,在接收的时刻停止计时。
 
  2.2超声波测量身高的设计思路
 
  2.2.1超声波测量身高的原理
 
  超声波测量的方法数目繁多。在本设计中我选用的是渡越时间检测法。原理为:检测到从发射电路发射出的声波,遇到障碍物反射形成回波再传播到接收电路的时间段为t,这个时间段就叫渡越时间。设l为声波发射接收点到障碍物的距离,t为声波走过这段路程的时间,c为声音的速度,则。距离由51单机计算,计算完成后送至数码管显示。
 
  超声波测量的计算方法设计:超声波在环境温度为15摄氏度时的速度为。如果t2是超声波被接收的时刻,t1是超声波声波被发射的时刻,接收时刻减去发射时刻得出的是一个时间差,假设时间差为0.03m,则340m乘以时间差得到距离为10.2m。这里的10.2m,就是超声波所走的路程,原理如图2.2-1
 
  图2.2-1测距原理
 
  因为超声波发射和接收的间隔很近,所以角度忽略不计,那么S约等于L。
 
  超声波到障碍物的距离如下:
 
  L=c(t2-t1)/2
 
  我在查阅资料后认识到,超声波是一种声波,声速c与环境温度有关,温度升高1摄氏度,超声波声速增加0.6。表2.2-1列出了超声波在不同温度下的声速。
 
  表2.2-1声速与温度的关系表
 
  温度(摄氏度) -30 -20 -10 0 10 20 30 100
 
  声速(米/秒) 313 319 325 323 338 344 349 386
 
  在平常情况下如果温度变化不大的话,我们就认为声速是不会变化的,在计算时我们取声速为340m/s。当人们对测量的身高要求很精准时,我们有两种方法来实现测量身高的准确性,一种时通过改变电路,在电路中添加温度补偿电路,还有一种是在不改变硬件的情况下,通过编写相应的软件程序来把控温度对测量的干扰。
 
  2.2.2超声波测距原理框图
 
  经过我查阅资料后。超声波模块的集成发射电路发射出超声波,遇到障碍物时反射形成回波,基本按原路返回被接收电路接收,AT89C51单片机计算出声波发射到收回所用时间,如果需要温度补偿再进行温度补偿温,最后计算出精准的距离,同时语音播报模块ISD1730A根据数据处理的结果进行播报,并由数码管显示出来。
 
  图2.2-2超声波测距系统结构图
 
  2.3元器件的选择
 
  通过查阅资料和在网上进行对比后。人体身高一般不会超过两米,我们如果对测量身高的精度要求不高,我们就购买一些价格合理并且易于操作的元器件。
 
  超声波模块选取功能稳定的HC-SR04。
 
  单片机部分选择性价比更高的AT89C51单片机来满足控制和计算。
 
  温度补偿部分选择体积小,抗干扰强的DS18B20。
 
  语音播报部分选择WT588D。WT588D系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路
 
  显示部分:选择了广泛使用的四位数码管。
 
  第3章硬件电路的设计
 
  3.1中心控制模块
 
  AT89C51是一种很高效的控制器。单片机不但体积小,而且控制功能强,其杰出的嵌入式应用形态对满足嵌入式适用需求具有十分独特的优点。AT89C51宏处理器也为许多嵌入式控制系统提供了优秀的方案。伴随着微电子设计技术和计算机技术的与日俱进,单片机产品和技术今非昔比,产品繁多的80C51系列单片机,主导地位已经形成。
 
  主要特点如下:
 
  AT89C51是4KB闪存,片内256字节数据储存(00H-7FH是片中的RAM,80H-FFH是特殊功能寄存器SFR),2个电源引脚,2个时钟引脚,32条I/O线,4条控制线,AT89C51引脚如图3.1-1所示
 
  图3.1-1AT89C51引脚图
 
  引脚说明:
 
  两个电源引脚 Vcc +5V电源输入脚
 
   GND/Vss 接地脚
 
  两个时钟引脚 XTAL1 内部时钟电路的输入脚
 
   XTAL2 内部时钟电路的输出脚
 
  32条I/O线 P0口(P0.0-P0.7) 分时复用线,用户I/O口(外接上拉电阻),CPU的低8条地址线,CPU的8条数据线
 
   P1口(P1.0-P1.7) 用户I/O口
 
   P2口(P2.0-P2.7) 用户I/O口,CPU的高8条地址线
 
  
 
  P3口(P3.0-P3.7)
 
  用户I/O口,第二功能 P3.0RXD 串行输入口
 
   P3.1TXD 串行输出口
 
   P3.2/INT0 外部中断0
 
   P3.3/INT1 外部中断1
 
   P3.4T0 计时器0外部输入
 
   P3.5T1 计时器1外部输入
 
   P3.6/WR 外部数据存储器写选通
 
   P3.7/RD 外部数据存储器读选通
 
  四条控制线 RST 复位脚(重启),当RST引脚有至少两个机器周期的高电平时,单片机被复位
 
  
 
  ALE 地址锁存允许脚,下降沿有效,下降沿下降时刻单片机的CPU将此时刻P0口的低八位地址信息所存在片外所存器芯片中
 
  
论文写作模式-智能身高测量系统的设计
 
  /PSEN 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现
 
  
 
  /EA 当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)
 
  3.2语音播报模块
 
  因为WT588D是包含宏处理器的内核语音芯片,所以也称为语音芯片。WT588D系列音频单片机是可编辑音频芯片,是广州唯创电子有限公司结合台湾华邦共同开发的,该产品是集成的语音设备和音频收集器。WT588D系列语音宏处理器的功能是其多声音功能,宽广的适用范围和稳定的特性。弥补了时至今日各种语音芯片在使用时的狭隘缺陷。
 
  WT588D的特性:
 
  1.带2M-32Mbit的SPL-Flash存储器和外围电路。掩膜为内置ROM
 
  2.2.DAC输出PWM输出两种输出方式
 
  3.PWM输出内置0.5W功放,可直接推动0.5W/8Ω扬声器
 
  4.支持加载MP3/WAV/WMA三种音频格式
 
  5.工作电压:2.8V~5.5V
 
  6.静态休眠电流:<10uA
 
  7.芯片复位时间5毫秒
 
  8.USB下载方式,支持在线下载和脱机下载
 
  9.七种控制方式:MP3控制,按钮控制,3x8矩阵控制,并口控制,一线串行控制,三线串行控制和三线串行端口控制I/O端口扩展输出控制
 
  10.220段可控地址位,最多加载128段音频,并组合播放音频。
 
  11.插入的静音时间为10毫秒至25分钟
 
  语音提示模块电路图如图3.2-1所示
 
  图3.2-1语音播报电路
 
  3.3显示单元
 
  在该设计中我采用了八段共阳极数码管来显示测量的结果,由许多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的元器件。在使用时把公共端接到+5V的电源上,当某一段发光二极管的阴极是低电平时,则相应的字段将点亮。电路图如图3.3-1所示
 
  图3.3-1显示电路图
 
  3.3.1电流电压
 
  关于静态,提倡使用电流为10-15mA。关于动态,建议使用电流为4-5mA,最高电流为50-60mA。检查引脚布局,每个段中有多少个芯片,我们可以用不同的电压乘以每段芯片的串联个数。当绿色时,用3.1V乘以串联个数;当红色时,用1.9V乘以串联个数。
 
  3.3.2驱动形式
 
  为了我们需要的显示,驱动电路来带动每个段码的显示,最终得到所需的数字。查阅资料得知数码管有不同的方式来驱动,通常我们可以分为静态和动态两种。
 
  静态驱动是用单个芯片的I/O端口来驱动每个数字电子管的段代码,我们也可以编写BCD代码程序来进行驱动。静态驱动会有编写的程序简洁和显示时光更强的好处,缺陷是会使用更多的I/O端口,比如要静态显示五个数码管时,驱动则需要5×8=40个I/O端口来进行,这样I/O口的占用率就很大了。
 
  动态驱动是我们很常用的方式,动态驱动是把数码管的八段显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”相同脚连接在一起,并且把控制电路添加到每个数字电子管的公共极COM上,用个个单独的I/O端口来控制,并且在字形代码被单片机输出的情况下,每个字形代码在数码管中都是一样的。由于单片机对COM端的控制,最终个个数码管显示出不同的字码。所以我们打开需要显示的数码管的控制通道,那么着段就会显示。
 
  当每个数字电子管的COM端被单片机随时间轮番控制时,从而依次控制和显示每个数字电子管,这就是一个动态驱动器。在轮番点亮的过程中,每个发光二极管的点亮时间为1-2ms,每个数字管实际上并不能同时点亮,但是我们会有视觉暂留现象并且发光二极管还会有余辉效果,所以只要轮番点亮的速度足够快,就可以得到我们需要显示的数据,没有闪动。虽然动态显示和静态显示都可以得到我们想要的结果,然而动态显示不会浪费太多的I/O端口并且功耗小。实物图如图3.3-2所示
 
  图3.3-2数码管实物图
 
  3.4温度补偿模块
 
  温度对我们来说是非常重要的一个指标,本设计我采用的温度传感器是市面上常用的DS18B20作为温度传感器。身高测量时周围温度经过DS18B20传感器测量,数据总线连接到单片机的P2.4口,单片机通过P2.4来控制DS18B20实行数据传输。系统使用DS18B20的外部供电,不需要强上拉I/O线,并且在温度转换过程中不必将总线控制器始终保持在高电平。这样能够在转换时期在单个总线上启用其余数据传递。实物如图3.4-1所示。
 
  图3.4-1DS18B20实物图
 
  3.4.1性能描述
 
  1.我们通过特殊的单线接口方法,单片机和DS18B20用一条线连接就可得到互相的信息传递。
 
  2.温度测量在-55℃到+125℃之间,并且具有0.5℃刻度。
 
  3.工作电源:3-5V/DC
 
  4.不需要使用外围元件。
 
  5.测量结果以9-12位数字量方式串行传送
 
  6.适用于DN15-25,DN40-DN250各种介质工业管道和狭小空间设备的温度测量
 
  3.4.2DS18B20的接线方法
 
  因为DS18B20的体积很小,所以在接线的时候要注意。当我们面对着平的那一面,左边为负极右边为正级,如果我们接反的话在使用是就有可能烧毁元器件。如果接反使用的话会一直是85℃。在我们使用单片机控制时,DS18B20中间的引脚要有一个4.7K-10K的上拉电阻,不然高电平会不能正常输入/输出,就会导致整个系统不能正常使用,甚至会产生危险。温度传感器接口电路图如图3.4-2所示。
 
  图3.4-2温度传感器接口电路图
 
  3.5超声波模块
 
  我们选择通常的HC-SR04来作为测量工具,这种超声波模块应用是非常普遍的,在我们的日常生活中随处可见。它的测量间隔在两厘米到四米之间,对于用来测量人体的身高是足够用了,而且它还有很多优秀的地方,比如它的指向性强,转播过程中能量损失小等实物如图3-6。
 
  图3.5-1HC-SR04模块实物图
 
  3.5.1基本参数
 
  超声波模块常常采用IO端口来触发,发出10us的高电平信号;
 
  模块主动发送的方波为8个40khz,然后自行检查可否有信号反射回来;
 
  如果有声波反射回来,IO端口ECHO就会输出一个高电平,高电平一直存在的时间段就是超声波发射出去到碰到障碍物产生回波返回的时间。
 
  电气参数,HC-SR04模块参数如下表3.5-1所示。
 
  电气参数 HC-SR04超声波模块
 
  工作电压 DC5V
 
  工作电流 15mA
 
  工作频率 40khz
 
  最远射程 4m
 
  最近射程 2cm
 
  测量角度 15°
 
  输入触发信号 10us的TTL脉冲
 
  输入回响信号 输出TTL电平信号,与射程成比例
 
  规格尺寸 45*20*15cm
 
  超声波时序图如图3.5-2所示
 
  图3.5-2超声波时序图
 
  超声波时序图说明当单片机控制提供10us的电信号,超声波电路就会从内部发射八个40khz的声波,并且让接收电路准备接收回波。接收电路接收到声波后该模块就会有输出回响信号,并且这个信号的脉冲宽度和我们测量的距离成正比。我们这样就能指导间隔的时间,然后计算出距离:
 
  我们一般的测量周期要大于60ms,因为在小于60ms的情况下发射的信号会干扰回响的信号。
 
  超声波电路也有一个中心控制器为EM78P153单片机,超声波传感器:T40-16、R40-16以及其他元器件组成。
 
  EM78P153单片机概况描述:查阅资料得知EM78P153单片机中国台湾义隆公司的产品,产品工艺是用了高速CMOS的八位单片机,内部有512×13bit一次性的程序存储器,使用者能很方便的进行程序编写和调试,并且能简洁的录入芯片。这个芯片还具有很好的安全性能,能够把芯片里的程序和数据保护起来。
 
  引脚分配:
 
  EM78P153单片机引脚分配如图3.5-3。
 
  图3.5-3Em78p153引脚图
 
  符号 I/O类型 功能
 
  VDD - 电源+
 
  P65/OSC1 I/O 通用I/O引脚,外部时钟输入,XT振荡器输入脚,上拉/下拉,引脚变化将单片机从睡眠中唤醒
 
  P64/OSC2 I/O 通用I/O引脚,内部时钟输入,XT振荡器输入脚,上拉/下拉,引脚变化将单片机从睡眠中唤醒
 
  P63/RESET/Vpp I 置RESET为低电平复位,编程电压输入端,正常工作方式电压不得高于VDD,置为RESET时有上拉,引脚变化将单片机从睡眠中唤醒
 
  P62/Tcc I/O 通用I/O引脚,上拉/下拉漏极开路,外部时钟计数器输入引脚,引脚变化将单片机从睡眠中唤醒
 
  P61 I/O 通用I/O引脚,上拉/下拉漏极开路,引脚变化将单片机从睡眠中唤醒
 
  P60/INT I/O 上拉/下拉漏极开路,编程模式下斯密特出发输入出,下降沿触发的外部中断输入引脚
 
  P66/P67 I/O 通用I/O引脚,上拉/漏极开路,引脚变化将单片机从睡眠中唤醒
 
  P50-P52 I/O 通用I/O引脚,下拉
 
  P53 I/O 通用I/O引脚
 
  Vss I/O 电源(地)
 
  MAX232芯片是美信(MAXIM)的产品,为标准串口而设计的+5V单电源芯片。特点是符合RS-232C标准,是单电源芯片,功耗小,集成度高等等。
 
  芯片引脚如图3.5-4。
 
  图3.5-4MAX232引脚图
 
  引脚介绍:
 
   结构 功能
 
  电荷泵电路 1、2、3、4、5、6脚和4只电容 产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要
 
  数据转换通道 7、8、9、10脚 第二数据通道
 
   11、12、13、14脚 第一数据通道
 
  供电 15、16脚 GND、VCC(+5v)
 
  常用的低噪声JFET输入运算放大器,引脚如图3.5-5。
 
  图3.5-5TL074引脚图
 
  通道
 
  引脚
 
  端
 
  口
 
  输出端
 
  反相输入端
 
  同相输入端
 
  通道一 1 2 3
 
  通道二 7 6 5
 
  通道三 8 9 10
 
  通道四 14 13 12
 
  正电源和负电源分别是四脚和十一脚。TL074内部组件数量如下表3.5-2所示
 
  表3.5-2TL074组件
 
  电阻 44
 
  晶体管 56
 
  JFET 6
 
  二极管 4
 
  电容 4
 
  epi-FET 4
 
  T40-16与R40-16
 
  为了更好的去使用超声波,人们以经做了大量的研究工作,并且做出了应有尽有的超声波发生器。本次我所选用的是压电式超声波换能器,利用压电晶体的谐振进行工作,超声波转换器内部有两个压电晶元和一个转换能板。当脉冲信号施加到其两极时,其频率等于压电晶元的固有振动频率时,压电晶元会产生共鸣,通过振动谐振板产生超声波;相反,当两个电极不施加电压时,谐振板接收超声波,振动压电晶片,将机械能量转换为电信号,就成为超声波接收转换器。超声波辐射转换器和接收换能器在结构上略有不同,但在使用时需要识别设备上的标记。模块使用T40-16T/R超声波换能器即为压电型。
 
  器件说明:
 
  名称:压电陶瓷超声波传感器;
 
  型号:T40-16T/R;
 
  类别:通用型;
 
  中心频率:40KHZ;
 
  外径:16mm;
 
  使用方式:T为发射头,R为接收头,TR为收发兼用;
 
  适用范围:家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置;超声波测距及汽车倒车防撞装置;液面探测;超声波接近开关及其它应用的超声波发射与接收。
 
  器件性能:
 
  标称频率(KHz):40KHz;
 
  发射电压at10V(0dB=0.02mPa):≥110dB;
 
  接收灵敏度at40KHz(0dB=V/ubar):≥-70dB;
 
  静电容量at1KHz,<1V(PF):2000&viewmn;30%;
 
  探测距离(m):0.02-10。
 
  传感器实物如图3.5-6所示。
 
  图3.5-6传感器实物图
 
  HC-SR04模块集成了发射和接受电路,硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路,软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。使用时,只要在控制端‘Trig’发一个大于10us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值,此值就为此次测距的时间,再根据传播速度方可算出障碍物的距离。
 
  
 
  3.5-7元件内部结构 3.5-8元件外部结构
 
  3.5.2超声波传感器的基本介绍
 
  超声波测距换能器是利用超声波的特性研制而成的换能器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
 
  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就是超声波换能器,或者探头。
 
  超声波换能器主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
 
  3.5.3超声波传感器的工作原理
 
  超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,有两种形式:横向振荡(横波)及纵向振荡(纵波)。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。另外,它也有折射和反射现象,并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波,其频率较低,一般为几十KHZ,而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快,而在液体及固体中传播,衰减较小,传播较远。利用超声波的特性,可做成各种超声传感器,配上不同的电路,制成各种超声测量仪器及装置,并在通迅,医疗家电等各方面得到广泛应用。
 
  超声波传感器主要材料有压电晶体(电致伸缩)及镍铁铝合金(磁致伸缩)两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅(PZT)等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送,也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器,发送与接收略有差别,它适用于在空气中传播,工作频率一般为23-25KHZ及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60,T/R-40-12等(其中T表示发送,R表示接收,40表示频率为40KHZ,16及12表示其外径尺寸,以毫米计)。另有一种密封式超声波传感器(MA40EI型)。它的特点是具有防水作用(但不能放入水中),可以作料位及接近开关用,它的性能较好。超声波应用有三种基本类型,透射型用于遥控器,防盗报警器、自动门、接近开关等;分离式反射型用于测距、液位或料位;反射型用于材料探伤、测厚等。
 
  由发送传感器(或称波发送器)、接收传感器(或称波接收器)、控制部分与电源部分组成。发送器传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成,换能器接收波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超进行检测.而实际使用中,用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
 
  3.5.4超声波发射电路
 
  HC-SR04模块内部超声波发射电路如图3.5-9所示,主要由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射换能器T40组成。
 
  图3.5-9超声波发射电路
 
  3.5.5超声波接收电路
 
  HC-SR04模块内部超声波接收电路如图3.5-10所示,主要由TL074运算放大器及超声波接换能器R40组成。
 
  图3.5-10超声波接收电路
 
  3.5.6超声波接收过程
 
  单片机初始化,HC-SR04内部ECHO接口与单片机P1.1的引脚相连,发射接口TRIG与单片机的P1.2引脚相接。
 
  单片机开启中断,单片机P1.1给“Trig”接口一个约为20us的高电平,经过HC-SR04模块内EM78P153发送8个连续的40KHz脉冲的信号,经过MAX232电平转换,提高发射功率。换能器将电脉冲信号转换为超声波发射。
 
  当单片机的给一个20us的触发信号时,TRIG由低电平转换为高电平,TRIG=1,
 
  单片机开时计时,开启中断,并记录时间为T1,接收换能器等待接收回波,ECHO持续为高电平的时间为发射时间。换能器接收回波将超声波转换为电信号,送至单片机,记录时间为T2。超声波发射的时间为:T2-T1,
 
  计算发射距离为:
 
  L=(T2-T1)xC/2
 
  如果等待回波时间超过65ms时,则无法接收到回波,单片机初始化,重新发射接收下一次回波。
 
  第4章焊接注意事项
 
  4.1焊接步骤
 
  1、拿到电路板后,我们首先进行外观检查,检查是否有短路,断路等问题,熟悉开发板的原理图。
 
  2、一旦掌握了焊接电路板所需的所有材料,就可以对零件进行分类,然后根据尺寸将它们分为几种类型,这对于后续的焊接很有用。您需要打印整个物料清单。在焊接过程中,如果焊接完成一项,请使用笔擦除相应的选项。这对于以后的焊接操作很方便。
 
  焊接前,应采取防静电措施,例如静电环,以防止静电损坏组件。还要保证烙铁头的干净整洁。
 
  3、选择焊接零件时,请按从低到高,从小到大的顺序焊接零件。以免焊接好的元器件给较小元器件的焊接带来干扰。
 
  4、在焊接芯片之前,必须确保芯片放置方向的准确性。焊接时,首先固定尖端,微调零件的位置,然后固定芯片的对角,将零件连接到正确的位置,然后进行焊接。
 
  5、贴片陶瓷电容,稳压二极管没有正极和负极。发光二极管,钽电容器和电解电容器必须区分正极和负极。对于电容及二极管元器件,一般有显著标识的一端应为负。
 
  6、焊接后,使用放大镜检查焊接点并检查焊料是否不足或短路。
 
  7、电路板焊接完成后,请使用酒精等清洁剂清洁电路板表面,以防止附着在电路板表面的铁屑使电路板短路并使电路板更清洁。
 
  4.2扩展资料
 
  影响印刷电路板可焊性的因素主要是:
 
  (1)焊锡成分和焊锡性能。焊料是焊接化学过程中的重要组成部分,由含有助焊剂的化学材料组成,常用的低熔点共晶金属为Sn-Pb或Sn-Pb-Ag。
 
  杂质含量需要一定量的控制以防止杂质的产生。焊剂的功能是传递热量,去除锈蚀来帮助焊料润湿被焊板电路表面,通常采用白松香和异丙醇溶剂。
 
  (2)焊接温度和金属板表面的清洁度也会影响可焊接性。如果温度过高,焊接材料的扩散速度会更快,这时它会具有很高的活性,会迅速氧化电路板和焊料熔化电路板表面,会导致焊接缺陷并污染电路板表面。甚至会影响可焊性并导致产生缺陷。这些缺陷包括锡珠,锡球,开路和光泽差。
 
  第5章软件程序的设计
 
  5.1主程序
 
  软件分为两部分,主程序和中断服务程序,如图5-1(a)(b)(c)所示。主程序完
 
  成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。
 
  定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射,外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。主程序流程图如图5-1所示
 
  图5-1软件流程图
 
  主程序首先是对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。
 
  置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发,需要延时约0.1ms(这也就是超声波测身高仪会有一个最小可测身高离的原因)后,才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振,计数器每计一个数就是1μs,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按式(2)计算,即可得被测物体与测身高仪之间的距离,设计时取20℃时的声速为344m/s则有:
 
  d=(c×t)/2(2)
 
  其中,T0为计数器T0的计算值。
 
  测量身高的公式如下:d=300-(c×t)/2(3)
 
  测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s,然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离,主程序采用C语言编写。
 
  5.2单片机初始化函数
 
  5-2程序流程图
 
  接收过程:上电后先进行初始化,主要是对各变量即定时器0进行初始化,然后单片机给‘Trig’端一个约为20us的高电平,此后在‘Echo’端等待一个高电平,一旦检测到高电平,则立即打开定时器,开始计时。此后只要定时器0中的值不超过约为65ms(65.5536ms)的计时上限,则认为仍处在有效测量范围内,并未进入盲区,则在‘Echo’等待低电平的产生,一旦检测到低电平,立即读出此时的TH0和TL0,并关闭定时器0。则超声波从发射到返回总共所用时间为:time=TH0*256+TL0(us),再根据超声波常温下(27℃)在空气中的传播速度,(约为344m/s)计算出障碍物的距离,在数码管上进行动态的实时显示即可。
 
  5.3系统的软硬件的调试
 
  超声波测身高仪的制作和调试都比较简单,其中超声波发射和接收采用Φ15的超声波12换能器TCT40-10F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收),中心频率为40kHz,安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4~8cm,其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来,则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同,可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小,以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。
 
  硬件电路制作完成并调试好后,便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间,以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序,测身高仪能测的范围为0~300cm,测身高仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析,不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
 
  软件的源程序见附录二
 
  第6章总结
 
  本次设计以AT89C51为基础,以超声波为工具,以温度补偿为辅助,完成了智能身高测量系统的设计。实现了超声波测量身高的目的,并且用语音播报出来以及用数码管显示。
 
  超声波测量身高的原理与超声波测量距离的设计差不多,使用超声波发射电路发射超声波,通过接收电路接收到超声波时的时间差就能计算出距离,也能说成是超声波发射电路向特定的方向发射声波,在发射的同时计时,声波在途中遇到障碍物就会反射产生回波,超声波接收电路收到回波的时刻就停止计时,然后使用计算公式计算出测得的距离,这次设计采用了反射波式。
 
  超声波测身高在硬件电路的设计主要包括五部分:单片机的控制电路、超声波发射接收电路、数码管显示电路、语音播报电路,温度补偿电路。此次设计中心控制器为AT89C51单片机或兼容系列,晶振选择12MHz高精度的晶振来减小误差,单片机P1.3口输出10us的信号,时间段由定时器T0来计,显示电路采用1602,语音芯片WTD588D进行语音播报,DS18B20来进行温度补偿。
 
  此次完成设计的超声波测量身高系统能达到平常我们需要测量身高的目的,而且体积小巧,反映灵敏,价格还低廉。但由于我的才疏学浅,设计还有不完善的地方。在测量身高精度要求高的地方还是不能使用的,还需要进行更多的调整。
 
  整体来说,此次的智能超声波测身高系统设计对我来说是一次挑战,从刚开始接触到最终基本完成的过程中学到了很多,也把在大学期间所学的知识学以致用。不足的地方我还要进一步去加深学习和研究,以求以后做出更好的东西。
 
  


知网查重福礼


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