超声波巷道截面积测量仪的设计.doc

西安电子科技大学测控技术与仪器专业“RIGOL杯”大学生科技作品竞赛项目结题验收报告项目名称：超声波巷道截面积测量仪的设计 项目成员： 陈波 王敏 指导老师： 赵建 所在专业：测控技术与仪器专业 研究起止时间：2009年3月至 2009 年 12 月 西安电子科技大学测控工程与仪器系二九年十二月制 项目名称超声波巷道截面积测量仪的设计项目来源企业提出项目 教师提出项目 学生提出项目项目经费404.9元项目完成时间 2009年12月申请人姓名学号性别专业班级联系电话E-mail陈波04065105男测控技术与仪王敏04065021女测控技术与仪indy_一、项目完成情况概述（5号宋体字、行距：18）（对项目的完成情况进行总结性说明，并简要说明其项目研发意义与应用前景。） 经过一个假期的努力，我们完成了预期的设计的功能：可以测量不同几何形状的面积，操作简单方便，能够直观显示测量结果。适用于房屋面积、巷道截面积等等多种场合，无需操作者移动，设计两种模式，自动测量面积以及测量任意方向的距离测量距离。模式一可测矩形巷道截面积，模式二可测拱形巷道截面积，模式三可用来测不规则形状截面积。超声波测距由于具有不受光线、电磁波、粉尘等的干扰，其精度达到厘米数量级的工程测距精度等优点，将超声波测到的距离经过运算应用在桥梁、隧道、涵洞等截面积检测中占有一定优势。二、项目完成的主要性能技术指标（5号宋体字、行距：18）测量误差：距离的测量误差在一厘米左右，面积的误差根据不同的形状有所差异，第一种模式测矩形面积误差最小，测拱形面积误差稍大，测不规则面积误差相对较大。温度影响：声波的速度随温度的改变而改变，因此引进了温度补偿，补偿后测量结果在-10到50摄氏度范围内影响很小。测量距离：测量距离与电压及放大器倍数有关，我们用9V单电源供电，最大测量距离可以达到四米多。三、项目研究技术总结报告（5号宋体字、行距：18，可续页）1.总体方案设计如图整个超声波巷道截面积测量仪的系统框图如下图：单片机 控制器超声波接收超声波发射电机控制LCD显示18B20温度测量系统设计框图（1）硬件部分主要由单片机系统及显示电路、步进电机控制电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分组成。采用MSP430F413来实现对TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过内部计数器产生一个40Hz的方波经放大来驱动超声波发生器，然后单片机不停的检测与超声波接收器相连的引脚，通过单片机内部比较器来判断是否是有效反射波，并记下返回时间。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。再根据转过角度和所测两边的大小算出小三角形面积，最后累加得到最终的面积。（2）软件部分主要由主程序、步进电机控制程序、模式选择程序、超声波发生子程序、温度测量及补偿程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。2.关键技术要点分析 在硬件实际方面我们遇到的最大问题是搭建两级单电源运放，使放大倍数达到1000倍，此外还有如何驱动步进电机同时保证控制能耗和尽量减少器件，如何将单片机所产生的40Hz的超声波电压放大到足够大等等 软件设计遇到的问题是驱动步进电机和18B20通信3.关键技术实现方法采用的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。所以关键在于单片机个控制引脚输出正确的时序。18B20在整个系统中用来提供待测环境温度，以供温度补偿。18B20是单线总线器件，可使测温系统设计灵活方便，但与18B20通信并不简单，关键也在于模仿其通信时序。4.调试方法分块测试：分别测试脉冲发射，电机驱动，测温，比较器测试整体测试：对整个系统设计的功能测设5.测试结果实现预期功能，可测规则集合形状的截面积，如矩形、拱形，声速温度补偿功能。另外辅以测距功能。6.改进建议可选择性能更好的超声波传感器并且在超声波发射电路和接受电路上再做赶紧，已使超声波能测到更远的距离，使超声波面积仪使用范围扩大。7. 经费使用情况 经费的使用我们相对比较节省，能用除了做两次PCB版花了较多的经费，其他各种元器件都没有用太贵的，所以总共经费才四百左右。四、项目体会（5号宋体字、行距：18，可续页）（较为详细说明在完成项目的过程中的收获和体会） 整个暑假在学校F楼518渡过，虽然每天都被蒸得大汗淋漓还要忍受难吃的饭菜，但毕竟我们收获了满满的充实和动手的快乐，依然能记得我们的第一块电路板寄回来时的兴奋，我们调通程序时的激动。记得刚开始做的时候我们组信心满满，因为我们之前已经有很详细的开题报告和计划，我们打算两个星期就做完我们的课题。当开始动手做的时候才知道远没有我们想的那么简单。最开始搭超声波电路，测试超射波的发射距离就用了3天的时间，可是很快就发现有很多错误而且在我们第一块电路板测试的进行当中发现我们之前的创意让超声波测任意形状的截面积的创意收到了严重的挑战，我们发现当超声波斜入射被测截面时，无论如何增大发射波的电压，超声波接收器都收不到有效地反射波。在经过几天的实验后我们终于接受了我们之前的创意任何形状的截面积是不能实现的，接着我们就在原来方案的基础上修改方案，重新画板子，好不容易熬过了这个过程，接下来的带程序调试，更是考验我们的耐心，经常就是在实验室调程序一动不动调一天，有时还要修改下电路，有时候会高兴地跳起来，有时候又恨不得从五楼跳下去还好我们坚持下来了，我们用了一暑假的时间最终做出了我们的作品，我们了解了认真和执着的力量，暑假这段经历是我们终身受益的。五、项目成果介绍（5号宋体字、行距：18）（介绍项目在发表学术论文、参加科技竞赛、参加新生入校教学