毕业设计 超声波测距仪设计

毕 业 设 计 （ 论 文） （ 说 明 书 ） 题 目： 超声波测距仪设计 姓 名： 编 号 ： 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 2013 年 5 月 10 日 平顶山工业职业技术学院 毕 业 设 计 （ 论 文） 任 务 书 姓名 专业 应用电子技术专业 任 务 下 达 日 期 2013 年 3 月 4 日 设计 （ 论 文） 开 始日期 2013 年 3 月 11 日 设计 （ 论 文）完成日期 2013 年 5 月 17 日 设计 （ 论 文） 题 目： 超声波测距仪设计 A 编 制 设计 B设计专题（毕业论文） 指 导 教 师 系（部）主 任 2013 年 5 月 24 日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计 （ 论 文）答 辩 委 员会记录 业 ， 学 生 于 年 月 日 进 行了 毕业设计 （ 论 文）答 辩 。 设计题 目： 超声波测距仪设计 专题 （ 论 文） 题 目： 超声波测距仪设计 指 导 老 师 ： 答 辩 委 员会 根据 学 生提交的 毕业设计 （ 论 文）材料，根据 学 生答 辩 情 况 ，经 答 辩 委 员会讨论评 定， 给 予 学 生 毕业设计 （ 论 文）成 绩为 。 答 辩 委 员会 人，出席 人 答 辩 委 员会 主任（ 签 字）： 答 辩 委 员会 副主任（ 签 字）： 答 辩 委 员会 委 员 ： ， ， ， ， ， ， 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计 （ 论 文） 评语 第 页 共 页 学 生姓名： 专业 年 级 2010 毕业设计 （ 论 文） 题 目： 超声波测距仪设计 评 阅 人： 指 导教师 ： （ 签 字） 年 月 日 成 绩 ： 系（科）主任： （ 签 字 ） 年 月 日 毕业设计 （ 论 文）及答 辩评语 ： 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 1 摘 要 在空气介质中，超声测距传感器因其性能好，价格低廉、使用方便，在现场机器人定位系统、车辆自动导航、车辆安全行驶辅助系统、 城市交通管理和高速公路管理监测系统，以及河道、油井和仓库及料位的探测中都有应用。由于超声波传播不易受干扰，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。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。 本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：由 制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。并且在数据处理中采用了 温度补偿的调整，用四位 码管切换显示距离和温度。整个硬件电路由超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、显示电路等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高、可读性强和流程清晰等优点。实现后的作品可用于需要测量距离参数的各种应用场合。 关键词： 超声波；测距；电路 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 1 目 录 摘 要 . 1 目 录 . 1 第一章 超声波测距系统的设计与实现 . 3 述 . 3 题研究背景与意义 . 3 题研究背景 . 3 题研究意义 . 3 第二章 超声波的介绍及超声波测距的原理 . 4 声波介绍 . 4 么是超声波 . 4 声波的特性 . 4 声波的应用 . 6 案设计和选择 . 6 声波传感器 . 6 声波传感器的原理及结构 . 7 声波传感器的频率特性 . 8 声波测距原理 . 9 声波测距误差分析 . 11 响测量精度的因素 . 11 第三章 系统硬件设计 . 13 件电路设计 . 13 片机最小系统控制模块设计与比较 . 13 片机实现测距的原理 . 13 统结构设计 . 13 片机简介 . 14 片机的功能 . 14 片机主要特性 . 15 脚说明 . 16 声波发射器电路 . 17 声波检测接收电路 . 18 稳压集成电路 . 18 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 2 绍 . 19 特点 . 19 实际应用 . 19 相环 . 19 概述 . 19 功能叙述 . 19 要参数 . 20 平转换电路 . 20 位电路 . 21 示电路 . 21 第四章 系统软件设计 . 23 程序流程 . 23 程序设计 . 24 声波发送子程序及超声波接收中断子程序 . 24 温子程序 . 26 离计算子程序 . 27 总结 . 29 致 谢 . 30 参考文献 . 31 附录 超声波测距电路原理图 . 32 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 3 第一章 超声波测距系统的设计与实现 述 从技术上看，超声波测距系统在上个世 纪 70 年代已经实用化，从 70 年代末期开始广泛应用于生产领域。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，因此在工农业生产上到了广泛的应用。 题研究背景与意义 题研究背景 超声波是指频率在 20属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经 济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 题研究意义 由于超声测距 是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利 用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 4 第二章 超声波的介绍及超声波测距的原理 声波介绍 么是超声波 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 20000每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（ 20000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 用为 3 z（每秒振动 1次为11兆 06每秒振动 100万次，可闻波的频率在 16 20， 000间）。 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，该特性就越显著。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，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 2 10千赫兹的声波。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。 声波的特性 声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 5 极限 (根据大量实验数据统计，取整 数为 20000赫兹 )时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉范围如图 2 图 2的听觉范围 超声波的特性有： （ 1）束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。 （ 2）吸收特性 声波在各种介质中传播时，随着传播 距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。 （ 3）超声波的能量传递特性 超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢 ?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率 样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资 分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的 ,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 6 （ 4）超声波的声压特性 当声波进入某物体时 ,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。 声波的应用 超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。包括超声 波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤，可以测量气体、液体和固体的物理参数，可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。超声波清洗是一种高效率的方法，已经用于尖端和精密工业。大功率超声可用于机械加工，使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。应用在医学中的超声波诊断发展甚快，已经成为医学上三大影象诊断方法之一，与 位素 分别应用于不同场合，例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。在农业中，可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌，对作物种子进行超声波处理，有利于种子发芽和作物增产。此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中，例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。微波超声的重点放在微波电子器件，已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。 超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器，有着广 泛的应用前景的前提下，其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点，被广泛用用作测距传感器，实现定位以及环境建模。超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统（如 合使用，可实现整个视觉功能，具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能，是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统，包括毫米雷达、 高档微机等。 案设 计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 7 的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、 生物医学等方面。 声波传感器的原理及结构 超声波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。流体动力性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”活“笛”。压电式传感器属 于超声传感器中电声型的一种。探头有压电晶片、契块、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，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 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。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器内部结构如图 2 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 8 图 2电式超声波传感器结构 它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，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 的振动，便产生超声波。反之，如果两级间为外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 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。 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。 声波传感器的频率特性 这里以本设计选用的超声波传感器 图2特例加以说明。 型号： (直径 16 1. 标称频率（ 40. 发射声压 0 1170)： 1; ; if(k |= 0 / 1 时，则该位也为 1 ); k); 离计算子程序 当前温度和超声波往返时间均测量出来后，用 C 语言根据公式计算距离来编程是比较简单的算法。 S 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 28 根据测量距离 而其中 ，故可简化为： 52 7 31210 ，其实现程序算法如下： # t; +(73)/273); 65.7*t* 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 29 总 结 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方 式，适用于身高计；另一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪；此次设计采用反射波方式。 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用 用 12精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 口输出超声波换能器所需的 40用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4 位共阳 码管，段码用 74动，位码用 极管 8550 驱动。 超 声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 C 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用 C 语言和汇编语言混合编程。 利用 51 系列单片机设计的测距仪便于操作、读数直观。经实际测试证明，该类测距仪工作稳定 ,能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比。由于该系统中锁相环锁定需要一定时间，测得的距离有 误差，在汽车雷达应用中可忽略不计；但在精度要求较高的工业领域如机器人自动测距等方面，此误差不能忽略，可以通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定或根据自己的需要在程序中加入测距软件补偿的代码，使误差进一步减小，可以满足更高要求。 本设计完整地做出之后可测量十米以内的距离。因为超声波的特性，测距时保证传感器与被测物间，以及测量轴线上没有障碍物；且要尽量保证传感器轴线与被测物表面垂直；实际测距范围与被测物表面材料等因素有关，一般不要测量表面为毛料的物体表面。 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 30 致 谢 从开始做论文到 论文基本完成，经历了很长一段时间，从开始的一知半解到现在的全面了解算是经历了一个漫长的过程。在这个过程中有无数人给了我莫大的帮助。 首先要感谢的是我的指导老师田玉丽老师。感谢她在此次毕业设计过程中给予我的悉心指导与各方面的帮助，她给了我许多非常有益的建议和意见，使我在思路上得到了很大的开阔，从中认识到了自己存在的不足，并且学到了很多非常宝贵的知识。特别是在我论文定稿前认真的审阅了我的论文，指出我的错误和不足之处，在这里深表感谢！ 其次感谢我要感谢与我度过三年大学生活的同学们，你们在大学的三年里给予我许多学习 与生活上的帮助。 最后我要感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的关爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。 平 顶 山工 业职业 技 术学 院 毕业设计说 明 书 （ 论 文 ） 31 参考文献 1 胡萍 计算机与现代化， 2 时德刚，刘哗 计算机测量与控制， 3 华兵 片机原理应用 汉华中科技大学出版社， 2002 4