超声波身高测量仪毕业论文

南昌航空大学学士学位论文1目 录第一章 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 国内外发展状况和需改进的地方 .1第二章 超声波测距原理 .42.1 超声波简介 .42.2 超声波传感器 .52.3 超声测距原理 .62.4 盲区处理 .8第三章 超声波测距系统硬件设计方案论证 .93.1 方案一 .93.2 方案二 .93.3 方案三 .103.4 方案确定 .10第四章 超声波测距系统硬件设计思路及调试 .124.1 设计要求 .124.2 超声波测距系统的结构框图 .124.3 各功能模块电路介绍 .134.3.1 超声波产生电路 .134.3.2 驱动电路模块 .144.3.3 接收放大电路模块 .154.3.4 峰值检波模块 .164.3.5 电压比较器模块 .174.3.6 电平转换模块 .184.3.7 温度测量模块 .194.3.8 键盘显示电路 .214.4 超声波测距系统硬件调试 .25第五章 超声波测距系统软件设计及调试 .275.1 超声波测距系统程序设计流程 .27南昌航空大学学士学位论文25.1.1 主程序设计流程 .275.1.2 距离计算流程 .285.2 软件调试 .29第六章 超声波测距系统最终调试 .30第七章 总结 .327.1 研究结论 .327.2 本系统的不足和需改进的地方 .32参考文献 .33致谢 .34附录 A 超声波测距系统硬件电路图 .35附录 B 超声波测距系统软件程序 .36南昌航空大学学士学位论文0第一章 绪论1.1 课题背景及意义利用超声波测量己知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。目前基于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。本文结合超声波精确测距的需要，分析了影响超声波测距精确的多种因素，进行了系统的硬件设计和软件设计，来有效提高超声波测距系统的精度。1.2 国内外发展状况和需改进的地方一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。这些年来 ，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领南昌航空大学学士学位论文1域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。超声波测距精度的探讨 1一文中提到测量回波用到门限值的方法来测量回波的真实时间。选取一定的门限值，接收回波的包络线大于门限值时确定为回波到达的时间。回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的75作为门限值，测出时间，由此计算出超声波真实的到达时间。此方法对第3个波近似计算为波峰的75，所以对精度要求较高的测量并不足够。超声波测距误差分析 2认为收发换能器分离比一体化更减少盲区距离。提出减小盲区的改善措施可以减少发射波串的长度，发射波频率增高，波长减小，可以减少绕射，还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。这些措施也有一定限度，例如：发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。发射波频率加高受到换能器特性限制，同时，发射波频率加高使超声波在媒介中的衰减大幅度加剧，使作用距离下降。高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用 3提出一种比较有效的测量回波方法。它对回波包络线进行峰值检测作为回波时间点。传统的测量方法，以接收信号的幅值超过系统所规定的阈值时的时刻作为停止计时信号。时间检出点是随距离变化而变化的，这种“时间检出点”的变化就产生了距离测量的误差。针对回波信号的特点，采用峰值时间点检出方法，首先回波将经过放大、滤波后的回波信号进行线性包络检波，然后对检波的输出信号进行微分处理，最后对微分电路的输出进行零点交叉检测，即可得到回波信号的峰值时间，此时无论被测距离远近，即在回波信号包络线的峰值点。一种高精度超声波测距处理方法 4提出一种基于归一化包络曲线方程的抗起伏信号处理方法。处理步骤为：1用一定的检测方法计算出方程中的起伏参数：2根据包络方程推算出回波的理想前沿；3得到准确的声波传输时间；4乘声速除2即得距离。南昌航空大学学士学位论文2这种方法从软件算法上计算回波时间点，过程过于复杂，有效性不清楚。不如高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用的方法简洁。且对于本系统指令响应要求高，单片机存储空间有限，较复杂的算法并不适用于本系统。用于微地形探测的超声波测距系统 5通过软件编程和硬件方法，在绕射波有效阶段封闭CPU中断申请，躲避有效干扰。此方法能解决超声波绕射问题，但是会增加盲区范围。此文论述到处理这种串绕信号一般有两种方法：(1)通过软件编程从开始发射到虚假反射波结束时清零，从而使其不会向CPU发出中断申请，即可有效躲避干扰。(2)采用74LS74A构成双D触发器，使比较后的信号仅在超声波反射时间内输出为高电平，在从发射到接收到虚假反射波这段时间内置0，从而在接收到串绕信号时也不会发出中断请求。通过这两种方法都能够有效地躲过串绕信号，但同时也会形成盲区，系统的盲区约为lOOmm左右。对于本系统并不适用。自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究 6提出自动增益补偿电路使误差控制在02mm至05mm之间，并减少测距盲区，盲区范喇为6-7cm。此方法对提高精度和减少盲区都较有效。在软件编写的动态改变发射功率时可以作参考。简而言之，综述研究现状，虽然某些研究方法仍存在不足和困难的地方，但也可看到一些优秀的测量方法，应取其精华，去其糟粕。但总的来说，论文中系统的盲区范围较大，一般有lOcm左右距离，个别较好的有4-6cm距离。根据超声波测距的原理，设计了以51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统，考虑到单片机测量精度受到内部主振频率或参考频率的限制，从硬件电路设计角度出发，采用了一种单片机外部硬件扩展计数电路，通过升高计数的参考频率来提高了测距系统的计时精度，以最终提高了系统的计时精度。经过实验分析，效果良好。为了进一步提高超声波测距仪的测量精度和分辨力，又进行了设计改进，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，可有效地消除温度变化对精度的影响，从而提高了超声波往返时间的测量可靠性。南昌航空大学学士学位论文3第二章 超声波测距原理2.1 超声波简介超声波 7简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是指声音超过了20KHz时称之为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。因为电磁波的传播速度为 m/ s，而超声波8310在空气中的传播速度为340m / s，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同，即相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的:(2.1)xktwxAcos)(2.2)xe0在公式中，A(x)为振幅，Ao为常数，w为圆频率，t为时间，x为传播距离，k=2/为波数，A为波长，a为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:(2.3)2f式中，a为介质常数，f为振动频率。在空气里，a= s2/cm，当振动的声波130频率f= 40kHz(超声波)代入式(2.3)，可得a= /cm，即1/=31m；它的物42.理意义是:在(1/a)长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。考虑到实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f=40kHz的超声波。二 超声波的传播速度纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数以及介质的密度。1. 液体中的纵波声速：（2.4）2.气体中的纵波声速： （2.5）式中： K-体积弹性模量 - 热容比 P-静态压力 -密度kC12南昌航空大学学士学位论文4例：T=0 C，超声波在空气中的传播速度 C1=331.45m/s, C=331.45+0.61T (m/s) （2.6）式中 T:C 2.2 超声波传感器超声波传感器是近年来出现的用于超声控制元件，它分为发射器和接收器。发射器将电磁振荡转换为超声波向空间发射，接收器将接收的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。实质上是一种可逆的换能器，即将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波；或者由超声波能量转换为电振荡。常用的传感器有T40-XX和R40-XX系列，UCM-40T，UCM-40R等，其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，40为中心频率40KHz。T/R40的特征参数如表1所示。表1 T/R40的特征参数图总体上讲超声波发生器可以分为两大类：1）使用电气方式产生超声波；2）是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器，其又可分为两类： （1）顺压电效应：某些电介物质，在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转换为电能的现象称顺压电效应（超声波接收器的工作原理）。（2）逆压电效应：在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介型号 T/R40-16中心频率 401KHz发射电压 大于115DB接收灵敏度 大于64DB/V/ubar-6DB指向 50deg电容 240025%允许输入电压 20V南昌航空大学学士学位论文5质的变形随之消失，这种将电能转换为机械能的现象称逆压电效应（超声波发射器的工作原理）。 2、 工作原理当40KHZ的脉冲电信号加在超声波发射器上，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号以疏密波的形式向外发射出去。（锥形辐射器控制超声波的发射角度）接收器在收到由发射器传来的超声波。使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将电能转换为电脉冲信号，由于该电脉冲的信号幅度很小（V级）经信号放大器放大，最后驱动执行器使电路工作。常用的超声波传感器的谐振频率（即中心频率）为23KHz，40KHz,75KHz,200KHz,400KHz等，谐振频率高，在相同发射功率的前提下检测距离短，但分辨力提高。2.3 超声测距原理测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定数值，不随声波频率变化的特点。超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来，若要求测距误差小于0.01 米，那么测量时间的误差必须小于30 微秒。因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。本文的硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。根据选择的超声波传感器的不同，其工作原理也相应有所不同。如收发一体的传感器，其工作原理图如图2.1所示；收发分体超声波传感器，其工作原理图如图2.2所示。根据图2.2通过测量发射与接受装置之间的距离 h 利用直角三角形可求得：（2.7） 而所测距离是声波传输距离的一半，即:(1)（2.8）2*tVL22SL南昌航空大学学士学位论文6图2.1 收发一体式换能器工作原理图图 2.2 超声波测距原理在上式中，L 为待测距离，v 为超声波的声速，t 为往返时间（其中所测量的t为超声波走过2s路程所需的时间。但由于超声波的速度比较快，在测短距离的时候，将其作为超声波走过2L路程的时间）。若要求测距误差小于1cm，已知声速v=344m/s(20时)，显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。检测脉冲计数法: 脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。本文采用的是脉冲检测计数法。这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高 9。实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生正负电平的变化，再通过三极管的截止和饱和的两种状态来产生高低电平的变化。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的时间。在本系统的软件设计过程中，采用的是查询方式来检测是否接收到了回波信号。南昌航空大学学士学位论文7第三章 超声波测距系统硬件设计方案论证3.1 方案一本方案使用的单片机是stc89c52，它经济易用，且片内有8K的ROM，便于编程。在超声波产生电路的设计中