超聲波測距課程設(shè)計

1、<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1設(shè)計背景及意義</p><p>　　超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律

2、，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。日常生活應(yīng)用發(fā)面：人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市車輛逐漸增多，因為停車不當(dāng)而造成的交通事故也越來越多。利用超聲波測距原理可以及時將車輛與障礙物之間的距離反映出來，給司機(jī)以更準(zhǔn)確的信息和更多的反應(yīng)時間，減少事故的發(fā)生；軍事應(yīng)用方面：超聲波聲納已廣泛應(yīng)用于偵查探測等方面，如何提高其測量精度已是正在著重

3、研究的課題之一，相信在不久的將來，超聲波測距一定會在偵查反偵察方面起到更大的作用；工業(yè)應(yīng)用方面：超聲波測距儀的設(shè)計方便了管道的距離探測，消除了一些空間方面的限制，在其測量精度得到提升后，對一些精密設(shè)備的測量也將起到良好的效果。</p><p>　　1.2國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　目前國際國內(nèi)，在超聲波測距方面的研究和水平的不同，主要體現(xiàn)在對測距原理、超聲波信號處理方法和超聲波測距

4、處理器的選用上。常見的超聲波測距原理分為渡越時間法和相位差法兩種。信號的處理方法大致分為閥值檢驗法、互相關(guān)延時估計發(fā)、偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測距法和最小均值方法四種。在處理方面大多以單片機(jī)為主，其中以51系列應(yīng)用最為廣泛，采用運算速度最快，效率更高dsp芯片作為處理器，也正成為一個非?；钴S的研究方向。目前已研制的超聲波測距儀中，量程一般為3-12m，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，但價格昂貴，

5、準(zhǔn)確度方面已控制在測量誤差的0.4%左右，與真值的差距在厘米級的范圍內(nèi)，若采用互相關(guān)或偽隨機(jī)法，最高可控制在0.05m內(nèi)，在提高精確度方面，超聲波測距有很大的發(fā)展?jié)摿蜕仙臻g。</p><p>　　1.3系統(tǒng)功能介紹</p><p>　　采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超神波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個方案采用模塊化設(shè)計，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)

6、射子程序、接收子程序、先是子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀測量物體與障礙物之間距離的測量的功能。</p><p>　　第2章 總體設(shè)計方案</p><p><b>　　2.1 設(shè)計方案</b></p><p>　　超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳

7、播時碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v ,而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差△t ,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S ,即: </p><p>　　S = v·△t /2 （2-1）</p><p>　　這就是所謂的時間差測距法。</p&g

8、t;<p>　　由于超聲波也是一種聲波, 其聲速C與溫度有關(guān),表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時,如果溫度變化不大, 則可認(rèn)為聲速是基本不變的。常溫下超聲波的傳播速度是334 米/秒,但其傳播速度V 易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響,其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1 ℃, 聲速增加約0. 6 米/ 秒。如果測距精度要求很高, 則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度

9、T 時, 超聲波傳播速度V 的計算公式為：</p><p>　　V = 331.45 + 0.607T （2-2）</p><p>　　表1 聲速與溫度關(guān)系表</p><p>　　聲速確定后, 只要測得超聲波往返的時間,即可求得距離。</p><p><b>　　2.2 器件選

10、擇</b></p><p>　　AT89C51單片機(jī)、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、LED數(shù)碼管、74LS164、LM358放大器、LM567、24C02等芯片。</p><p><b>　　2.3 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　圖2-1 超聲波測距系統(tǒng)框圖</p><p>　　基于單片機(jī)的超聲波測距儀

11、框圖如圖2-1所示。該系統(tǒng)由單片機(jī)定時器產(chǎn)生40KHZ的頻率信號、超聲波傳感器、接收處理電路和顯示電路等構(gòu)成。單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心部件，它協(xié)調(diào)和控制各部分電路的工作。工作過程：開機(jī)，單片機(jī)復(fù)位，然后控制程序使單片機(jī)輸出載波為40kHz的10個脈沖信號加到超聲波傳感器上，使超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波。當(dāng)?shù)谝粋€超聲波脈沖群發(fā)射結(jié)束后，單片機(jī)片內(nèi)計數(shù)器開始計數(shù),在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就得到了從發(fā)射到接收的時間差△t;

12、根據(jù)公式（2-1）、（2-2）計算出被測距離,由顯示裝置顯示出來。</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 傳感器電路設(shè)計</p><p>　　超聲波發(fā)生器T是一個超聲頻電子振蕩器, 當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲換能器的壓電陶瓷上時, 壓電陶瓷組件就在電場作用下產(chǎn)生縱向振動。壓電組件在超聲振蕩時, 仿佛是一個小活塞, 其振幅很小,

13、 約為(1～ 10. 2) Lm,但這種振動加速度很大, 約(10～ 103 ) g n , 于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動能量, 這種巨大的超聲波能量, 沿著特定方向傳播出來。其關(guān)鍵技術(shù)是使超聲波波束變細(xì), 除待測物外不受其它構(gòu)造物的影響。超聲傳感器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置, 它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。.通過上述超聲換能結(jié)構(gòu), 配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路, 可以使超聲能量的定向傳輸, 并按預(yù)期接收反射波,實現(xiàn)超聲遙控、測距、防盜等

14、檢測功能 。</p><p>　　3.2 放大電路設(shè)計</p><p>　　由于信號在傳輸過程中能量會大量減小，經(jīng)障礙物反射后，在接收器接收之前需先進(jìn)行放大處理，本設(shè)計采用LM358。</p><p>　　LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電

15、源電壓無關(guān)。它的使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算放大器的場合。LM358 的封裝形式有塑封8引線雙列直插式、貼片式和圓形金屬殼封裝,內(nèi)部頻率補(bǔ)償，直流電壓增益高，單位增益頻帶寬，電源電壓范圍寬，低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。其引腳圖如圖（3-1）所示</p><p>　　LM567 為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器，LM567的內(nèi)部電路及詳細(xì)工作過程非常復(fù)雜,其基本功能概述如下：當(dāng)LM

16、567的③腳輸入幅度≥25mV、頻率在其帶寬內(nèi)的信號時，⑧腳由高電平變成低電平，②腳輸出經(jīng)頻率/電壓變換的調(diào)制信號；如果在器件的②腳輸入音頻信號，則在⑤腳輸出受②腳輸入調(diào)制信號調(diào)制的調(diào)頻方波信號。用外接元件獨立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。</p><p>　　圖3-1 LM358引腳圖</p><p>　　圖3-2 放大電路相關(guān)連接圖</

17、p><p>　　3.3 單片機(jī)相干電路設(shè)計</p><p>　　選用AT89C51單片機(jī)，通過此芯片發(fā)射相關(guān)命令控制軟件的設(shè)計，其基本連接圖如圖3-3所示</p><p>　　圖3-3 單片機(jī)相關(guān)電路</p><p>　　3.4超聲波發(fā)射電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路如圖3-4所示，89C51通過外部引腳P1.0

18、 輸出脈沖寬度為250μs , 40kHz的10個脈沖串通過超聲波驅(qū)動電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波。由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比,為了使測距范圍足夠遠(yuǎn),可對振蕩信號進(jìn)行功率放大后再加在超聲波傳感器上。</p><p>　　圖3-4 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.5 超聲波接收電路</p><p>　　超聲波接收器接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換

19、為40KHz毫伏級的電壓信號,需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機(jī)中斷INT0</p><p>　　圖3-5　超聲波接收電路</p><p><b>　　第4章 軟件設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成，圖4-1為程序流程圖。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，

20、當(dāng)按下測量鍵時，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼顯示器上顯示出來。</p><p><b>　　4.1流程圖</b></p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　N</b></p><p>　　圖4-1

21、 軟件程序框圖</p><p>　　圖4-2定時器中斷子程序</p><p>　　圖4-3外部中斷服務(wù)子程序</p><p><b>　　第5章總結(jié)</b></p><p>　　此次設(shè)計為超聲波測距提供了理論和實踐基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間

22、的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。</p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。此次設(shè)計采用反射波方式，即發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射。</p><p>　　本系統(tǒng)利用超聲波傳感器實現(xiàn)無接觸式空氣測距,沒有考慮環(huán)境溫度對超聲波傳遞速度的影響,故本系統(tǒng)在常溫下具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、反應(yīng)速度快等特點,可適用于各種水文液位測量、

23、障礙物的識別以及車輛自動導(dǎo)航等領(lǐng)域,因此具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　剛得到設(shè)計課題時，感覺很茫然，不知道從哪里著手，經(jīng)過老師的講解，對設(shè)計方向有了初步了解，又在網(wǎng)上搜索了一些有關(guān)現(xiàn)代的超聲波測距在現(xiàn)代生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，了解到超聲波測距以深入到軍事、醫(yī)學(xué)、城市管理等各個領(lǐng)域，如研制具有更高定位精神的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；城市建設(shè)中，研制箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計，解決人們在

24、建設(shè)排水系統(tǒng)中遇到的一些不可預(yù)見的問題；又如，應(yīng)用于汽車系統(tǒng)中，會大大減少隨經(jīng)濟(jì)進(jìn)步而不斷增加的交通事故數(shù)量。種種應(yīng)用體現(xiàn)了超聲波測距與我們息息相關(guān)，至關(guān)重要。</p><p>　　設(shè)計過程中，遇到了很多以前在學(xué)習(xí)理論知識中沒有遇到的問題，但是經(jīng)過老師細(xì)心的輔導(dǎo)和同學(xué)間的相互幫助，最終圓滿的完成了任務(wù)。這其中必須要感謝的是輔導(dǎo)我們的xx老師，是他一次次不厭其煩的為我們答疑解惑，沒有她的幫助我們就不會如此順利的完成

25、此次設(shè)計。</p><p>　　附錄：超聲波測距原理圖</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）梁森 歐陽三泰 王侃夫 . 自動檢測技術(shù)及應(yīng)用 . 北京機(jī)械工業(yè)出版社，2006年</p><p>　?。?）馬忠梅等 . 單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計 . 北京航天航空大學(xué)出版社,2001年

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