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1、西南科技大学毕业设计（论文）题目名称：超声测距仪的研制 超声测距仪的研制摘要：超声测距有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理简单可靠等优点，对于被测物处于黑暗、有毒、烟雾等恶劣环境中有一定的适应能力，因此可以广泛应用。本文详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。文中首先阐述了超声传感器的原理及特性；对于测距系统的超声波频率、信号脉冲、器件型号等主要参数进行了讨论；在介绍了超声测距各模块功能的基础上，提出了系统的总体构成并对测距系统发射、接收、检测、显示部分的硬件设计方案进行了论证。根据系统要求采用模块化的编程思路完成系统的算法设计，实现超声发射和距离显示功能。最后通过软硬件的综合
2、调试实现短距离超声测距系统的基本功能。 关键词：超声测距；传感器；单片机 The Development of Ultrasonic Distance Measuring SystemAbstract：The ultrasonic distance measuring technology is free of light effect, and has advantages of simple structure, low costs, simple reliable information processing etc; it also has certain adaptive capac
3、ity for measured things which are in abominable environment, such as dark, poisonous, smoggy. Hence, this technology is widely applied. This paper has presented a microcontroller-based single-pulse reflection ultrasonic distance measuring system. The ultrasonic sensors basic principle and characteri
4、stics are expounded in the paper, regarding the range measuring system ultrasonic wave frequency, the signal pulse, the component models and so on the main parameter has carried on the discussion; and in the foundation of introducing ultrasonic distance measuring system functions, the total system c
5、onstitution was proposed and hardware design proposal of the system launching, receiving, examination and displaying modules are demonstrated. According to the system requests, the system the algorithm is designed by modular the programming mentality, the ultrasonic launching and the distance-amplit
6、ude displaying function is completed. Finally through software and hardware synthesis debugging, the basic measuring function of the system in short range is realized.Key words : Ultrasonic distance measuring, Sensors, Microcontroller目 录第 1 章 绪论11.1 引言11.2 课题意义11.3 设计及论文主要内容2第2章 超声测距基本原理32.1 超声测距系统的
7、基本原理32.2 超声波换能器42.3 超声波换能器特性5第3章 超声测距系统的总体设计与方案比较83.1 信号源的产生83.2 接收信号前置放大103.3 带通滤波器103.4 自动增益放大电路113.5 峰值检出及门限检测11第4章 超声测距系统硬件实现134.1 系统电源设计134.2 微处理器选择144.2.1 微处理器简介144.2.2 单片机控制系统设计154.3 超声换能器的选择174.4 超声测距主要电路实现184.4.1 超声波发射电路设计184.4.2 超声波接收电路设计204.4.3 显示单元设计21第5 章 系统软件设计235.1 程序设计235.2 程序实现23第6章
8、 系统调试与误差分析256.1 系统调试256.2 误差分析与改进方法27 6.2.1 发射角和入射角对接收信号的影响27 6.2.2 声速变化引起的误差27 6.2.3 时间计量误差27 6.2.4 超声探头摆放位置的影响27结论28致谢29参考文献30附录131附录235附录336lw第 1 章 绪 论1.1 引言 超声检测是利用声学特性的无损检测技术。利用超声波在物体中的多种传播特性，如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等，对处于恶劣环境中的被测物具有一定适应能力，因此，这是一种重要的、无损非接触检测技术。例如用于医疗上的
9、超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定等等。超声检测是无损检测技术领域内发展最快，应用最广泛的一类技术。1.2 课题意义由于超声波在空气中波速较慢，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，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， 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。因此超声测距广泛应用于倒车雷达、物体识别等方面，特别是应用于空气测距。
10、超声波测距利用声波反射原理，避免传感器直接与介质接触，是一种传统而实用的非接触测量方法。与红外、激光及无线电测距相比，它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性。在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响和指向性强的优点，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等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。但由于超声波传播时难于精确捕捉，温度对声速影响等原因，使超声测距的精度受到很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求较高场合下的应用1、6。1.3 设计及论文主要内容本设计从超声波传感器的原理和特性出发，对超声波发射电路和接收电路以及数
11、据显示部分进行了比较详尽的分析，并且简单介绍了超声换能器等背景知识。利用结构化设计的基本思路进行系统的设计。论文内容安排如下：第二章介绍了设计所需的专业背景知识；第三章对系统进行了总体设计并比较各种方案的可行性；第四章介绍最终设计方案硬件电路的实现；第五章详细介绍系统软件实现方法即程序算法；第六章通过系统调试过程和结果，解析了系统的误差来源及减小误差的方法。第2章 超声测距基本原理2.1 超声测距系统的基本原理 谐频率高于20kHz的声波称为超声波。超声波在空气中的传输为纵波形式，即空气微粒的振动方向与波的传播方向是一致的。实质上，纵波的传播是由于媒质中各体元发生压缩和拉伸的变形，并产生使体元
12、恢复原状的纵向弹性力而实现的，方式如图2-1所示。 图2-1 纵波传播方式 超声波频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或者称为超声换能器，它是一种可以将电能与声能相互转化的器件。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能（机械能）转换成电能1 。超声测距通常采用脉冲反射原理进行测距，原理如图2-2所示。图2-2 超声测距原理发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中碰到障碍物立即反射回来，接收器接收到反射波立即停止计时，此时计时器计下超声波从发射探头到障碍物间来
13、回传播的时间，即发射和接收的时间差t ，然后根据距离公式求出超声换能器到障碍物的距离s 。在速度v 已知的情况下，距离d 的计算公式如下： （2-1）如图2-2 所示，实际距离公式应该为: （2-2）公式（2-2）中h表示超声发射探头与接收探头之间的距离；s表示超声换能器与被测物之间的距离；被测的实际距离应该是d 。但由于被测距离一般达到米以上，h远小于d，所以h忽略不计，d近似等于s。 常温常压下,空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为 ： （2-3）公式（2-3）中为气体摩尔质量；r 为气体的比热比；R为气体常数；T为热力学温度。对于一定的气体 r、为定值。由公式（2-3）可知：
14、声速与热力学温度的平方根成正比，温度越高声速越大，温度越低声速越小。0时，空气中声速实验值为331.45 m/s,空气中声速表达式为: (m/s) （2-4）公式（2-4）中为摄氏温度。因此在空气中，常温下超声波的传播速度v易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。另外粘滞现象、热传导现象、热弛豫现象也会导致气体对超声波的吸收，吸收系数与声波频率的平方成正比，不过当声波频率低于几百千赫兹时，实验室观测的吸收系数并没有大到相当可观的程度7 。由于本系统测量精度要求不高，设计要求是应用于室内等温度变化不大的地方，所以忽略了温度补偿部分的设计，声速设定为固定值345m/s1 。2.2 超声波换能器超声换能器历来是各种超声应用的关键部件，是实现声能与电能相互转换的部件，即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。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：压电传感器；磁致伸缩传感器；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。因它们所产生超声波的频率、功率和声波特性各不相同，用途也大相径庭。其中压电超声传感器的应用范围很广，且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高 2
