超声测距电路设计制作-开题报告

XX大学毕业设计（论文）开题报告题目 超声测距电路设计制作专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 填 表 日 期 20xx 年 04 月 09 日一、选题的依据及意义： 设计一个超声波测距仪。要求能够实现利用超声波进行距离测量，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定的显示测量结果。可用于如汽车倒车提醒、液位、井深、管道长度的测量等不能直接接触测量的场合，也可应用于汽车倒车雷达、航海、宇航、石油化工等工业领域1。超声波简介：超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。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。(2)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。超声效应:当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应:机械效应、空化作用、热效应、化学效应2。 超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、单片机技术相结合来实现非接触式距离测量的方法3。由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。超声波是一种频率在20khz以上的声波，作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，与物理联系紧密，应用灵活。并且更适合于高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰等恶劣环境下工作。无论从精度还是可靠性方面，超声波测距都做得比较好。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。具有广泛的应用前景。 二、国内外研究概况及发展趋势： 历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。经过相关科技工作人员的研究超声测距的理论已经非常的明确，各种类型的仪器都发展成熟并且在生产中得到广泛的应用。现在超声波测距系统越来越注重其实用性，因此现在单片机和超声波测距系统开始紧密结合起来。比如说，汽车内置的倒车防撞系统，潜水艇的音波发射系统，医学器械的检测系统，工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面都在大量使用单片机来完成其各个任务。这说明，现在在超声波测距方面，单片机的使用正在成为主流。这可归结为三个原因：一是单片机的成本低廉，对于现如今测距系统在很多领域都大量使用的形式下，单片机所节省的制作成本可以更好地用于其它方面，大大提高了社会资源的合理分配：二是单片机系统方便快捷，现在所使用的单片机系统，绝大部分都可以实现程序的修改，因此单片机的使用使测距系统更能体现其灵活性，也使设计出的单片机系统能广泛适用于各个领域4。三是采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度较高等优点，大大解决了传统测量仪器存在的问题，从而得到广泛的应用。比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。超声测距技术在各方面都将有很大的发展空间，他将朝着高定位高精度的方向发展，以满足严苛的测距需求，如研究具有高定位精度的被动测距声呐，以满足水中武器实施全隐蔽的需要，继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖拽线阵列声呐，实现远程得的被动探测和识别。研制更适合于浅海工作的潜艇声呐，解决浅海中目标识别的问题。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。由于超声波在传播过程中，声压会随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阀值的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到测距的准确度。另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，存在惯性、滞后等现象，以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，均导致回波信号被展宽，也使测量产生较大的误差，影响了测距的分辨率5。其他如温度，风速等也会对测量造成一定的影响10。 现如今高速发展的科学技术和越来越智能化的社会生活来说，超声波测量技术还需要不断发展，来满足社会进步的需要。现阶段的超声波测距还没有到达顶峰，还有很大的发展空间，而怎样实现超声波测量技术的更智能化，更实用性，是今后超声波测量技术的发展方向。毋庸置疑，未来的超声测距仪将与自动化智能化接轨，随着其它相关的电子技术的发展，更高精度，特种状况下的超声测距仪将会开发出来。三、研究内容及实验方案： 1. 研究内容 (1）了解超声波测距原理。 (2）设计出利用超声波测距离的硬件结构电路。 (3）可以实现以数字形式显示测量距离。2. 试验方案 图 1 系统原理框图2.1 试验设备 本系统包括以下几个部分：以单片机AT89C51为核心，周围电路包括显示电路、超声波发射电路6、超声波检测接收电路、驱动电路等7。 AT89C51单片机内含4kB的只读程序存储器ROM（可反复擦写，修改方便）及128B的随机存储器RAM8，对于只要求测量矿井内部各部分距离的测距系统来说，存储量足够使用。由于AT89C51单片机内部结构相对简单，因此能实现快速测量，而且使用相对方便。在编程方面，AT89C51单片机即可按照常规方式进行编程，也可进行在线编程，且可反复擦洗的程序存储器也能方便的进行程序修改，且比不可擦洗的存储系统大大降低了其成本。2.2 系统工作原理(1) 超声波测距原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。 图2超声波测距板原理图 由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为： L=CT (1.1)式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)910。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段11。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，所以通过一些误差分析，根据误差产生原因做出相应的补偿就能提高测量的精度。如温度对声速的影响，时间测量的精度等。(2) 超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=CT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。其中温度影响为：01273ccqq=+近似公式为：C=C0+0.607 (1.2)式中，C0为零度时的声波速度332m/s，为实时温度。四、目标、主要特色及工作进度1. 研究目标 根据所了解的单片机知识，和超声相关的基础知识设计出一个能正常工作的超声测测距装置，并且控制好一起的测量精度，和稳定性。了解使用不同型号的芯片对测距仪器整体的影响。 2. 主要特色 （1）超声波发射与接收电路的设计：是选择使用施密特振荡器和数字功率放大电路的方案还是选择使用555多谐振荡器和数字功率放大器作为发射装置、回波放大接收电路及比较电路作为接收装置的方案。（2）直接将测量结果传递到LCD显示单元。（3）显示电路选择什么样的反向驱动器驱动PC口作为LCD的位选控制口来提高其显示亮度， （4）整个装置的造价便宜，原理简单，用途较广。3. 工作进度20xx.3.0920xx.4.10 查阅资料，对课程设计进行初步规划,整理资料 。20xx.4.1120xx.4.19查阅外文资料，翻译论文和撰写开题报告，购买 设计使用的器材。20xx.4.2020xx.4.30对所选择的单片机系统进行学习和认知，以进行下一步设计，设计测量系统,并画出其结构图。20xx.5.0420xx.5.15将电子零部件焊接好调试仪器的性能。20xx.5.1620xx.5.31 对测量系统进行数据校验,完善测量系统。20xx.6.0120xx.6.26撰写毕业论文,准备答辩，毕业答辩。5、 参考文献1 韩赞东.超声定位技术在汽车安全预警系统中的应用J .测控技术, 2002, 13(8): 4546.2 超声波探伤编写组. 超声波探伤M. 电力工业出版社, 1980.3 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用电子技术J电子工业, 2002, 9(6): 3638.4 周润景等.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例M.电子工业出版社,2006.5 BIRD C.Quality control of friction stir welds by the application of non-destructive testingC. 4th International Symposium on Friction Stir Welding,4th International Symposium on Friction Stir Welding, california of USA,2003,2003:3942.6 童诗白 华