超声波身高测量仪论文

湖北工业大学商贸学院毕业设计摘 要随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广泛。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛应用。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，影响了测量结果的准确性和可靠性，超声波传感技术的出现改变了这种状况。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。本设计有效地解决了传统身高测量中手工操作和机械操作速度慢、噪音大的弊端，是一种集高科技、智能化、自动化于一体的体质测量仪器，备受市场青睐。实验证明，这套系统软硬件设计合理、结构精巧、操作方便、实用性强、实时性好，经过系统扩展和升级，可广泛应用于医院、学校、机场等公共场所的体质测量。关 键 词 :EDA 超声波 测量仪湖北工业大学商贸学院毕业设计IAbstract With the rapid development of science and technology, ultrasonic sensor application in more and more widely.As the ultrasonic point to strong, energy consumption is slow, the spread in the medium distance, and therefore often used in ultrasonic distance measurements, such arange finders and Meter and more can be achieved by ultrasound.Ultrasonic testing is often used more rapid, convenient, simple to compute, easy to do real-time control and measurement precision can be achieved in the industrial and practical requirements, so the mobile Robot have also been widely used.In the past, many technology because they can not detect objects within the organization have been hampered, affecting the accuracy and reliability of measurement, ultrasonic technology has changed the situation.Applications in the future, ultrasound will be information technology, new material technology combined, there will be more intelligent, high-sensitivity ultrasonic sensors. This design effectively address the traditional manual measurement of height and mechanical operation speed, noisy by the market. drawbacks, is a set of high-tech, intelligent, automated measuring instruments in one body, much favored.Experiments have proved that the system software and hardware design is reasonable, structural compact, easy to operate, practical, real time, the system expansion and upgrading, and is widely used in hospitals, schools, the airport, public health measure.Keywords ： Ultrasonic measurement high-sensitivity湖北工业大学商贸学院毕业设计II目 录摘 要ABSTRACT 目 录引 言11 超声波21.1 超声波的介绍21.2 超 声 波 发 生 器 61.3 压电式超 声 波 发 生 器 6 2传感器 63超声波传感器 84 EDA的设计 104.1 EDA 设计思路 104.2 超声波测量仪原理104.3 EP25Q208C8 芯片的介绍124.4 传感器和其外围以及放大电路的设计15 4.5 VHDL 顶层文件154.6 传感器产生信号174.7A/D 转换184.8 计时模块184.9 3/8 译码器部分18 4.10 显示模块21结 束 语30参 考 文 献 31致 谢 32湖北工业大学商贸学院毕业设计0引 言本 次 设 计 电 路 采 用 超 声 波 在 空 气 中 运 行 原 理 设 计 的 一 种 光 机 电 一 体 化 的 身 高 测 量仪 ， 该 测 量 仪 是 由 EP2C5Q208C8 作为中 央 控 制 系 统 ， 超 声 波 发 射 电 路 由 发 射 驱 动 电 路和 设 于 该 驱 动 电 路 输 出 端 的 超 声 波 换 能 器 构 成 ， 超 声 波 接 收 电 路 由 超 声 波 接 收 换 能 器 、限 位 电 路 和 超 声 波 接 收 集 成 块 电 路 构 成 ， 能 测 量 的 最 大 距 离 为 10m， 测 试 分 辨 力 为1cm， 距 离 显 示 用 三 位 数 的 发 光 二 极 管 ， 最 大 显 示 距 离 为 99cm。 要 求 传 感 器 要 有 较好 的 方 向 性 ， 并 对 脉 冲 响 应 、 发 送 和 接 收 的 频 带 范 围 要 宽 。 因 此 ， 本 课 题 的 研 究 是 非常 有 实 用 和 商 业 价 值 。 湖北工业大学商贸学院毕业设计11 超 声 波1.1 超 声 波 的 介 绍声 波 是 物 体 机 械 振 动 状 态 （ 或 能 量 ） 的 传 播 形 式 。 所 谓 振 动 是 指 物 质 的 质 点 在 其平 衡 位 置 附 近 进 行 的 往 返 运 动 形 式 。 譬 如 ， 鼓 面 经 敲 击 后 ， 它 就 上 下 振 动 ， 这 种 振 动状 态 通 过 空 气 媒 质 向 四 面 八 方 传 播 ， 这 便 是 声 波 。 超 声 波 是 指 振 动 频 率 大 于20000Hz 以 上 的 ,其 每 秒 的 振 动 次 数 （ 频 率 ） 甚 高 ， 超 出 了 人 耳 听 觉 的 上 限（ 20000Hz） ， 人 们 将 这 种 听 不 见 的 声 波 叫 做 超 声 波 。 超 声 和 可 闻 声 本 质 上 是 一 致 的 ，它 们 的 共 同 点 都 是 一 种 机 械 振 动 模 式 ， 通 常 以 纵 波 的 方 式 在 弹 性 介 质 内 会 传 播 ， 是 一种 能 量 的 传 播 形 式 ， 其 不 同 点 是 超 声 波 频 率 高 ， 波 长 短 ， 在 一 定 距 离 内 沿 直 线 传 播 具有 良 好 的 束 射 性 和 方 向 性 ， 目 前 腹 部 超 声 成 象 所 用 的 频 率 范 围 在 2 5 兆 Hz 之 间 ，常 用 为 3 3.5 兆 Hz（ 每 秒 振 动 1 次 为 1Hz， 1 兆 Hz=106Hz,即 每 秒 振 动 100 万 次 ，可 闻 波 的 频 率 在 16 20， 000HZ 之 间 ） 。 超 声 波 是 声 波 大 家 族 中 的 一 员 。理 论 研 究 表 明 ,在 振 幅 相 同 的 条 件 下 ,一 个 物 体 振 动 的 能 量 与 振 动 频 率 成 正 比 ,超 声波 在 介 质 中 传 播 高 ,因 而 能 量 很 大 .在 我 国 北 方 干 燥 的 冬 季 ,如 果 把 超 声 波 通 入 水 罐 中 ,剧 烈 的 振 动 会 使 罐 中 的 水 破 碎 成 许 多 小 雾 滴 ,再 用 小 风 扇 把 雾 滴 吹 入 室 内 ,就 可 以 增 加室 内 空 气 湿 度 .这 就 是 超 声 波 加 湿 器 的 原 理 .如 咽 喉 炎 、 气 管 炎 等 疾 病 ,很 难 利 用 血 流使 药 物 到 达 患 病 的 部 位 .利 用 加 湿 器 的 原 理 ,把 药 液 雾 化 ,让 病 人 吸 入 ,能 够 提 高 疗 效 .利用 超 声 波 巨 大 的 能 量 还 可 以 使 人 体 内 的 结 石 做 剧 烈 的 受 迫 振 动 而 破 碎 ， 从 而 减 缓 病 痛 ，达 到 治 愈 的 目 的 。 超 声 波 在 医 学 方 面 应 用 非 常 广 泛 ， 像 现 在 的 彩 超 、 B 超 、 碎 石（ 例 如 胆 结 石 、 肾 结 石 祛 眼 袋 之 类 的 ） 等 。超 声 波 在 媒 质 中 的 反 射 、 折 射 、 衍 射 、 散 射 等 传 播 规 律 ， 与 可 听 声 波 的 规 律 并 没 有本 质 上 的 区 别 。 但 是 超 声 波 的 波 长 很 短 ， 只 有 几 厘 米 ， 甚 至 千 分 之 几 毫 米 。 与 可 听 声波 比 较 ， 超 声 波 具 有 许 多 奇 异 特 性 ： 传 播 特 性 超 声 波 的 波 长 很 短 ， 通 常 的 障 碍 物的 尺 寸 要 比 超 声 波 的 波 长 大 好 多 倍 ， 因 此 超 声 波 的 衍 射 本 领 很 差 ， 它 在 均 匀 介 质 中 能够 定 向 直 线 传 播 ， 超 声 波 的 波 长 越 短 ， 这 一 特 性 就 越 显 著 。 功 率 特 性 当 声 音 在 空气 中 传 播 时 ， 推 动 空 气 中 的 微 粒 往 复 振 动 而 对 微 粒 做 功 。 声 波 功 率 就 是 表 示 声 波 做 功湖北工业大学商贸学院毕业设计2快 慢 的 物 理 量 。 在 相 同 强 度 下 ， 声 波 的 频 率 越 高 ， 它 所 具 有 的 功 率 就 越 大 。 由 于 超 声波 频 率 很 高 ， 所 以 超 声 波 与 一 般 声 波 相 比 ， 它 的 功 率 是 非 常 大 的 。 空 化 作 用 当 超声 波 在 液 体 中 传 播 时 ， 由 于 液 体 微 粒 的 剧 烈 振 动 ， 会 在 液 体 内 部 产 生 小 空 洞 。 这 些 小空 洞 迅 速 胀 大 和 闭 合 ， 会 使 液 体 微 粒 之 间 发 生 猛 烈 的 撞 击 作 用 ， 从 而 产 生 几 千 到 上 万个 大 气 压 的 压 强 。 微 粒 间 这 种 剧 烈 的 相 互 作 用 ， 会 使 液 体 的 温 度 骤 然 升 高 ， 起 到 了 很好 的 搅 拌 作 用 ， 从 而 使 两 种 不 相 溶 的 液 体 发 生 乳 化 ， 并 且 加 速 溶 质 的 溶 解 ， 加 速 化 学反 应 。 这 种 由 超 声 波 作 用 在 液 体 中 所 引 起 的 各 种 效 应 称 为 超 声 波 的 空 化 作 用 。 频率高于 2104 赫的声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。 超 声 波 的 两 个 主 要 参 数 主 要 有 频 率 与 功 率 密 度 。频 率 ： F20KHz（ 在 实 际 应 声 波 是 物 体 机 械 振 动 状 态 （ 或 能 量 ） 的 传 播 形 式 。 所谓 振 动 是 指 物 质 的 质 点 在 其 平 衡 位 置 附 近 进 行 的 往 返 运 动 形 式 。 譬 如 ， 鼓 面 经 敲 击 后 ，它 就 上 下 振 动 ， 这 种 振 动 状 态 通 过 空 气 媒 质 向 四 面 八 方 传 播 ， 这 便 是 声 波 。 超 声 波是 指 振 动 频 率 大 于 20000Hz 以 上 的 ,其 每 秒 的 振 动 次 数 （ 频 率 ） 甚 高 ， 超 出 了 人 耳 听觉 的 上 限 （ 20000Hz） ， 人 们 将 这 种 听 不 见 的 声 波 叫 做 超 声 波 。 超 声 和 可 闻 声 本 质 上是 一 致 的 ， 它 们 的 共 同 点 都 是 一 种 机 械 振 动 模 式 ， 通 常 以 纵 波 的 方 式 在 弹 性 介 质 内 会传 播 ， 是 一 种 能 量 的 传 播 形 式 ， 其 不 同 点 是 超 声 波 频 率 高 ， 波 长 短 ， 在 一 定 距 离 内 沿直 线 传 播 具 有 良 好 的 束 射 性 和 方 向 性 ， 目 前 腹 部 超 声 成 象 所 用 的 频 率 范 围 在 2 5兆 Hz 之 间 ， 常 用 为 3 3.5 兆 Hz（ 每 秒 振 动 1 次 为 1Hz， 1 兆 Hz=106Hz,即 每 秒 振动 100 万 次 ， 可 闻 波 的 频 率 在 16 20， 000HZ 之 间 ） 。 超 声 波 是 声 波 大 家 族 中 的 一员 。 理 论 研 究 表 明 ,在 振 幅 相 同 的 条 件 下 ,一 个 物 体 振 动 的 能 量 与 振 动 频 率 成 正 比 ,超声 波 在 介 质 中 传 播 时 ,介 质 质 点 振 动 的 频 率 很 高 ,因 而 能 量 很 大 .在 我 国 北 方 干 燥 的 冬季 ,如 果 把 超 声 波 通 入 水 罐 中 ,剧 烈 的 振 动 会 使 罐 中 的 水 破 碎 成 许 多 小 雾 滴 ,再 用 小 风扇 把 雾 滴 吹 入 室 内 ,就 可 以 增 加 室 内 空 气 湿 度 .这 就 是 超 声 波 加 湿 器 的 原 理 .如 咽 喉 炎 、气 管 炎 等 疾 病 ,很 难 利 用 血 流 使 药 物 到 达 患 病 的 部 位 .利 用 加 湿 器 的 原 理 ,把 药 液 雾 化 ,让 病 人 吸 入 ,能 够 提 高 疗 效 .利 用 超 声 波 巨 大 的 能 量 还 可 以 使 人 体 内 的 结 石 做 剧 烈 的 受湖北工业大学商贸学院毕业设计3迫 振 动 而 破 碎 ， 从 而 减 缓 病 痛 ， 达 到 治 愈 的 目 的 。 超 声 波 在 医 学 方 面 应 用 非 常 广 泛 ，像 现 在 的 彩 超 、 B 超 、 碎 石 （ 例 如 胆 结 石 、 肾 结 石 祛 眼 袋 之 类 的 ） 等 。超 声 波 在 媒 质 中 的 反 射 、 折 射 、 衍 射 、 散 射 等 传 播 规 律 ， 与 可 听 声 波 的 规 律 并 没 有本 质 上 的 区 别 。 但 是 超 声 波 的 波 长 很 短 ， 只 有 几 厘 米 ， 甚 至 千 分 之 几 毫 米 。 与 可 听 声波 比 较 ， 超 声 波 具 有 许 多 奇 异 特 性 ： 传 播 特 性 超 声 波 的 波 长 很 短 ， 通 常 的 障 碍 物的 尺 寸 要 比 超 声 波 的 波 长 大 好 多 倍 ， 因 此 超 声 波 的 衍 射 本 领 很 差 ， 它 在 均 匀 介 质 中 能够 定 向 直 线 传 播 ， 超 声 波 的 波 长 微 粒 做 功 。 声 波 功 率 就 是 表 示 声 波 做 功 快 慢 的 物 理 量 。在 相 同 强 度 下 ， 声 波 的 频 率 越 高 ， 它 所 具 有 的 功 率 就 越 大 。 由 于 超 声 波 频 率 很 高 ， 所以 超 声 波 与 一 般 声 波 相 比 ， 它 的 功 率 是 非 常 大 的 。 空 化 作 用 当 超 声 波 在 液 体 中 传播 时 ， 由 于 液 体 微 粒 的 剧 烈 振 动 ， 会 在 液 体 内 部 产 生 小 空 洞 。 这 些 小 空 洞 迅 速 胀 大 和闭 合 ， 会 使 液 体 微 粒 之 间 发 生 猛 烈 的 撞 击 作 用 ， 从 而 产 生 几 千 到 上 万 个 大 气 压 的 压 强 。微 粒 间 这 种 剧 烈 的 相 互 作 用 ， 会 使 液 体 的 温 度 骤 然 升 高 ， 起 到 了 很 好 的 搅 拌 作 用 ， 从而 使 两 种 不 相 溶 的 液 体 （ 如 水 和 油 ） 发 生 乳 化 ， 并 且 加 速 溶 质 的 溶 解 ， 加 速 化 学 反 应 。这 种 由 超 声 波 作 用 在 液 体 中 所 引 起 的 各 种 效 应 称 为 超 声 波 的 空 化 作 用 。 频 率 高 于 2104 赫 的 声 波 。 研 究 超 声 波 的 产 生 、 传 播 、 接 收 ， 以 及 各 种 超 声 效 应和 应 用 的 声 学 分 支 叫 超 声 学 。 产 生 超 声 波 的 装 置 有 机 械 型 超 声 发 生 器 （ 例 如 气 哨 、 汽笛 和 液 哨 等 ） 、 利 用 电 磁 感 应 和 电 磁 作 用 原 理 制 成 的 电 动 超 声 发 生 器 、 以 及 利 用 压 电晶 体 的 电 致 伸 缩 效 应 和 铁 磁 物 质 的 磁 致 伸 缩 效 应 制 成 的 电 声 换 能 器 等 。 频 率 ： F20KHz（ 在 实 际 应 用 中 因 为 效 果 相 似 ， 通 常 把 F15K 的 声 波 也 称 为 超声 波 ） ； 功 率 密 度 ：p= 发射功率(W)/发射面积(cm2); 通常 p0.3w/cm2; 在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用“空化” 现象来解释：超声波振动在液体中传播的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为 0.35w/cm2，这时超声波的音波压强峰值就可达到真 空 或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞一空化核。此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污垢撞击下来。这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为“空化” 现象。 太小的 声 强 无法产生空化效应。 超 声 波 具 有 如 下 特 性 ： 1） 超 声 波 可 在 气 体 、 液 体 、 固 体 、 固 熔 体 等 介 质 中 有 效 传 播 。 湖北工业大学商贸学院毕业设计42） 超 声 波 可 传 递 很 强 的 能 量 。 3） 超 声 波 会 产 生 反 射 、 干 涉 、 叠 加 和 共 振 现 象 。 4） 超 声 波 在 液 体 介 质 中 传 播 时 ， 可 在 界 面 上 产 生 强 烈 的 冲 击 和 空 化 现 象 。 声 波 是 物 体 机 械 振 动 状 态 的 传 播 形 式 。 所 谓 振 动 是 指 物 质 的 质 点 在 其 平 衡 位 置 附近 进 行 的 往 返 运 动 。 譬 如 ， 鼓 面 经 敲 击 后 ， 它 就 上 下 振 动 ， 这 种 振 动 状 态 通 过 空 气 媒质 向 四 面 八 方 传 播 ， 这 便 是 声 波 。 超 声 波 是 指 振 动 频 率 大 于 20KHz 以 上 的 ， 人 在 自 然 环 境 下 无 法 听 到 和 感 受 到 的声 波 。 超 声 波 治 疗 的 概 念 ： 超 声 治 疗 学 是 超 声 医 学 的 重 要 组 成 部 分 。 超 声 治 疗 时 将 超 声 波 能 量 作 用 于 人 体 病变 部 位 ， 以 达 到 治 疗 疾 患 和 促 进 机 体 康 复 的 目 的 。 在 全 球 ， 超 声 波 广 泛 运 用 于 诊 断 学 、 治 疗 学 、 工 程 学 、 生 物 学 等 领 域 。 赛 福 瑞 家用 超 声 治 疗 机 属 于 超 声 波 治 疗 学 的 运 用 范 畴 。 1） 工 程 学 方 面 的 应 用 ： 水 下 定 位 与 通 讯 、 地 下 资 源 勘 查 等 。 2） 生 物 学 方 面 的 应 用 ： 剪 切 大 分 子 、 生 物 工 程 及 处 理 种 子 等 。 3） 诊 断 学 方 面 的 应 用 ： A 型 、 B 型 、 M 型 、 D 型 、 双 功 及 彩 超 等 。 4） 治 疗 学 方 面 的 应 用 ： 理 疗 、 治 癌 、 外 科 、 体 外 碎 石 、 牙 科 等 。 超 声 波 的 特 点 有1)超 声 波 在 传 播 时 ， 方 向 性 强 ， 能 量 易 于 集 中 。 2)超 声 波 能 在 各 种 不 同 媒 质 中 传 播 ， 且 可 传 播 足 够 远 的 距 离 。 3)超 声 波 与 传 声 媒 质 的 相 互 作 用 适 中 ， 易 于 携 带 有 关 传 声 媒 质 状 态 的 信 息 （ 诊 断 或对 传 声 媒 质 产 生 效 应 ） 。 （ 治 疗 ） 超 声 波 是 一 种 波 动 形 式 ， 它 可 以 作 为 探 测 与 负 载 信 息 的 载 体 或 媒 介 （ 如 B 超 等用 作 诊 断 ） ； 超 声 波 同 时 又 是 一 种 能 量 形 式 ， 当 其 强 度 超 过 一 定 值 时 ， 它 就 可 以 通 过 与传 播 超 声 波 的 媒 质 的 相 互 作 用 ， 去 影 响 ， 改 变 以 致 破 坏 后 者 的 状 态 ， 性 质 及 结 构 （ 用作 治 疗 ） 。 1.2 超 声 波 发 生 器 湖北工业大学商贸学院毕业设计5为 了 研 究 和 利 用 超 声 波 ， 人 们 已 经 设 计 和 制 成 了 许 多 超 声 波 发 生 器 。 总 体 上 讲 ，超 声 波 发 生 器 可 以 分 为 两 大 类 ： 一 类 是 用 电 气 方 式 产 生 超 声 波 ， 一 类 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 不 相 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 。 1.3 压 电 式 超 声 波 发 生 器 原 理 压 电 式 超 声 波 发 生 器 实 际 上 是 利 用 压 电 晶 体 的 谐 振 来 工 作 的 。 超 声 波 发 生 器 内 部结 构 由 两 个 压 电 晶 片 和 一 个 共 振 板 构 成 。 当 它 的 两 极 外 加 脉 冲 信 号 ， 其 频 率 等 于 压 电晶 片 的 固 有 振 荡 频 率 时 ， 压 电 晶 片 将 会 发 生 共 振 ， 并 带 动 共 振 板 振 动 ， 便 产 生 超 声 波 。反 之 ， 如 果 两 电 极 间 未 外 加 电 压 ， 当 共 振 板 接 收 到 超 声 波 时 ， 将 压 迫 压 电 晶 片 作 振 动 ，将 机 械 能 转 换 为 电 信 号 ， 这 时 它