超声波测距模块的毕业设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 西南科技大学 毕业设计（论文） 题目名称： 超声波测距模块的设计 年 级： 本科 专科 学生学号： 学生姓名： 指导教师： 学生单位： 技术职称： 学生专业： 教师单位：信息工程学院 西 南 科 技 大 学 教 务 处 制 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 超声波测距模块的设计 摘要： 超声波测距应用十分广泛 。 论文 在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程 设 计方法， 确立了结构化设计的思路。 本文 设计了一套超声波检测系统， 该系统是 一种基 于 片机的超声波测距系统 ,它 根据超声波在空气中传播的反射原理 , 以超声波传感器为接口部件 , 应用单片机技术和 超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成 。 设计利用 51 单片机系统的 I/O 口， 使超声波传感器发出 40超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入单片机， 比较调试后确定其对应的距离， 完成测距。 可实现 3 米内测距，盲区 7厘米 ，具有 示功能。 关键词 ： 超声波 ； 超声波 传感器 ； 片机 ； 示单元 ； 测距仪 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is an on to in of it as of by of in of of by , by in CD 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 题背景 . 1 文研究内容 . 3 究内容 . 3 章节主要内容 . 4 第 2 章 系统的总体方案设计 . 5 声测距理论基础 . 5 声波介绍 . 5 声波传感器 . 5 感器的指向角 . 7 量盲区 . 8 声波测距原理 . 9 声测距系统组成 . 10 统的收发过程 . 10 案比较 . 11 声波频率及探头的选用 . 11 射模块 . 11 收模块 . 11 度补偿 . 12 示模块 . 13 源模块 . 14 信接口选择 . 14 统的总体构想 . 15 章小结 . 15 第 3 章 系统硬件设计 . 16 统工作的过程 . 16 控制电路 . 16 片机 . 17 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 钟振荡器 . 17 位电路 . 18 行通信接口 . 18 气特性 . 19 接器机械特性 . 19 据发送电路 . 20 射电路设计 . 20 55 振荡器 . 22 射极放大电路 . 23 收电路设计 . 25 作原理分析 . 25 源电路设计 . 26 示电路 . 26 口协议 . 27 度测量 . 27 章小结 . 28 第 4 章 系统程序设计 . 29 件功能模块的划分 . 29 程序的分析设计 . 29 部中断程序 . 30 0 中断子程序 . 31 度校正 . 32 章小结 . 32 第 5 章 调试过程 . 33 试环境 . 33 序调试过程 . 33 送 40冲信号子程序调试 . 33 度传感器的调试 . 33 验结果 . 34 章小结 . 34 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 总 结 . 35 致 谢 . 36 参考文献 . 37 附录 1 超声测距源程序 . 38 附录 2 超声测距原理图 . 49 附录 3 硬件实物图 . 50 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪 论 高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观 、 宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现 、 评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计研制， 使用部门已被卓有成效的运用， 1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过： 你们能够给飞机 、 空间飞行器 、 发电厂 、 船舶 、 汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。 无损检测正在以迅猛之势向纵深发展 ， 客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。 超声技术就是一项典型的无损检测技术 。 利用超声波测量已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 。可想而知 ， 它的应用 ， 必将在未来展现出夺目的光辉。 题背景 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 ， 也就是生物体发射不被人们听到的超声波 (20， 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或障碍物位置的方法 ， 根据这一原理 ， 人们提出了超声波测距 ， 它是一种传统而实用的非接触测量方法 ， 和激光、涡流和无线电测距方法相比 ， 具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点 ， 在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力 ， 且结构简单 ， 成本低 ， 因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应 用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉 ， 温度对声速的影响等原因 ， 使得超声波测距的精度受 到了 很大的影响 ， 限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用 。 距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数 ， 测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多 ， 其传播时间比较容易检测 ，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超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶 劣的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 情况下使用 。 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。 我国 超声波 检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。 超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。 五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 声波检测仪，重达 24各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。 五十年代末六十年代初 ， 国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 非金属超 声检测仪，也是电子管式，仪器重约20仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因 超声波 检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 仪器。 1976 年，国家建委科技 公 司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土 超声波 检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此， 超声波 检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。 随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件， 更有利于 超声波检测技术的推广普及。如罗马尼亚 超 声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重 10十年代，英国 司推出仅有 携式超声仪。 1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 便携式超声波检测仪。该仪器采用 路，数码显示，仪器重量为 5期研制出的超声检测仪器还有 ， ， 超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用 超声波 检测技术奠定了良好的基础。随着检 测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操 作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足 用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。 随着电子技术的发展 ， 出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前 2 种方法由于技术难度大 ， 成本高 ， 一般仅用于军事工业 ， 而超声波测距则由于其技术难度相对较低 ， 且成本低廉 ,适于民用推广。超声测距在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。例如。随着汽车智能 化的发展，中国城市汽车的保有量迅速增加。随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向，这里就可以用到超声测距判断汽车前方障碍物的情况，及时向司机传达信息。还有在水中探测，军事，医疗中的超声诊断和治疗等方面有重要作用，而且测量精度在不断的提高，另外在移动机器人研制也广泛应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。目前这个领域发展迅速，不断提出新课题，具有广阔的发展前景。 文研究内容 究内容 本设计要求我们先要掌握充足的理论知识，着重理论联系实际， 培养理论分析的能力，检索资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力、分析排除故障的能力。通过该课题的设计，让自己学习到超声测距的相关知识，包括对超声波，传感器学习，超声波传感器的应用， 了解了超声波与其他学科的关系，扩大了知识面，培养了自己分析问题，解决问题，实际动手的能力。 本设计从 51 单片机、超声波传感器的原理和特性出发，对超声波测距 技术中的控制、信息采集技术进行了较买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 为详尽的分析，参照工程设计的基本方法，分析系统可行性、可靠性后， 确立结构化设计的基本思路。 从各功能模块一一设计。 该仪器是由 +5V 稳压电源提供驱动，利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，以超声波探头为接口部件，应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间（超声波的速度为声速）并处理成相应的距离，然后再通过 示距离。 章节主要内容 论文第一章阐述了本课题的研究背景。第二章确立了系统的总体方案和系统各模块的方案选择比较，以及方案实施。第三章是对系统硬件的设计。采用 51 单片机作为控制单元，设计超声波收发电路，系统电源，显示单元，温度补偿单元等。第四章介绍了 系统软件的设计，利用结构化设计思想，画出了各部分的程序流程图。第五章分析了本系统的调试过程。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 第 2 章 系统的总体方案设计 本课题要设计制作是一个数显超声波测距仪。对象是测距仪与被测物之间的距离，要求检测时间小于 况下测量范围在 m，测量精度为 5并且测量时测距仪不能与被测物体直接接触，以及用 示结果等要求。这一章主要介绍了 超声波测距原理， 系统方案的选择比较 与 实施，为后一章节的系统硬件设计提供依据。 声测距 理论基础 声波 介绍 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 。 我们知道，电磁波的传播速度为 3810 m s，常温下，超声波在空气中的传播速度大约为 340 m 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 (大气条件 )传播速度相同，即在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 。 A = A(X) t+ (2 A(X) = 0 (2式中， A(X)为振幅，0 为圆频率， k=2/为波数， 为波长， 为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为 =a 2f (2式中， 空气里 ， a=2 13 210s /振动的声波频率 f=40声波 )代入式 (2得 : =3 2 4110 ，即 1 =31m；若 f=30 1 =56m。它的物理意义是：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。在 (1 )长度上，平面声波的振幅衰减为原来的 此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率 f=405。 声波传感器 传感器行业是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类繁多。超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有： 1、 压电传感器； 2、 磁致伸缩传感器； 3、 静电传感器。 流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为 哨 或 笛 。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸 铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。 传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电 陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为0就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波 一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 双压电晶片如图 2示，当在 施加交流电压时，若 A 片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。双压电晶片的等效电路如图 2示， C 为静电电容， R 为陶瓷材料介电损耗并联电阻，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率0f。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率 一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器 12。 图 2压电晶片示意图 图 2压电晶片等效图 超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超 声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作 用的，但不影响发射与接收超声波。 感器的指向角 传感器的指向角是声束半功率角的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测距的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长 ，传感器半径 公式（ 2 )2( 2( = （ 2 选 0= 向角 近似于传感器半径成反比 。 指向角 愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径 于目前电子市场的买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 压电传感片规格有限，为降低本次设计成本，在不降低空间分辨率的情况下，选用国产现有压电传感器片最大半径 r= )26 1 r c s r =75o 。 量盲区 在传感器以脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时 ，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪器阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离成为盲区，其具体分析如下： 当发射超声波时，发射信号虽然只维持一段极短时间，但是停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的 发射信号幅值仍具有一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平外，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使在离探头较近的表面发射回来的信号 ， 也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测 过程 中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定阈值即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接收 放大器由输入信号 9。 减小盲区的方法有以下几种措施 ： 1、 压缩发射脉冲宽度 发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震 (拖尾 )减少，此法常用于短距离测量距离。 2、 采用自动距离增益控制 采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的 增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小， 相应的延续时间缩短，可以分辨 出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。另一方面，可使远处的回波信号的幅度 增大，以提高测量的精度。 3、 信噪比问题 超声波测距仪都有确定的量程。量程主要决定于接收信号的幅值应大于 规定的 阈值。这个 阈 值决定信噪比。噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪器一样，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 另一类为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，工作频率较高，可以避开工业噪声频谱段。而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。 声波测距 原理 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为：检 测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离是声波传输距离的一半 。 L=1/2 （ 2 式中， 下式计算测量误差 为 L T (2式中，L为测距误差， 为时间测量误差，V为声速误差。若要求测距 误差小于 0 0知声速 V =344m s( 020 ，忽略声速误差，那么测量时间的误差 为 / 0 . 0 1 / 3 4 4 0 . 0 0 0 0 3S (2显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现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。这里利用单片机计数的方法，间接测量时间，可以把声波传播的时间精度提高到所需的准确度。也就是对渡越时间的计算 。 超声波测距原理图如图 2 发射换能器 a 障碍物 L S 接收换能器 图 2声测距原理 图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 障碍物 超声换能器 超声换能器 接收电路 发射电路 主 控 制 器 显示单元 温度测试 平转换 从图 2可以看出，由于本设计采用收发分体换能器，发射换能器和接收换能器存在一定夹角。我们实际得出的距离是 S，本设计近似 S=L，所以我们 可以用上面的公式计算出 L，测出距离 7。 声测距系统组成 超声波测距仪整个系统由单片机来控制，启动测量时，由单片机发出一个控制信号去触发发射电路，使发射电路起振，驱动超声波发射器发射出一串超声波脉冲 (大约十几个脉冲 )，同时启动单片机的计时器，开始计时，也就是开始测量渡越时间。当这些脉冲到达被测目标时，发生反射，经空气传播被超声波接收器 接收，再由放大电路进行放大。接收到的第一个脉冲去触发单片机的计数 器，使计数停止。此时，计数器中的值， 根据这个 值 就可以算出时间 。 超声波测距系统原理框图如图 2 图 2声波测距原理框图 统的收发过程 超声波收发的一般过程是：发生器产生振荡波，通过换能器，电能的振荡波转变成机械能的超声波，遇到障碍物后，一部分超声波反射回来，换能器又将超声