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1、南阳理工学院本科生毕业设计论文学院系： 专 业： 学 生： 指导教师： 完成日期 2021 年 5 月超声波测距系统的硬件设计 The Hardware Design of Ultrasonic Ranging Systerm学 院系： 专 业： 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师职称： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2021.05.10 Nanyang Institute of Technology 超声波测距系统的硬件设计测控技术与仪器 摘要超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。在本次设计中，设计
2、的超声波测距系统的测量精度为1cm，能够清晰稳定地显示测量结果。在整个超声波测距硬件电路模块中主要的电路设计有超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、温度补偿电路以及声光报警电路构成。其中接收电路主要采用的是CX20106A；发射电路采用的是反相器74HC04及超声波发射换能器组成；另外，为了提高测量的精度在电路中又参加了温度补偿装置，DS18B20就是用来测量当前温度从而来实现这一功能。通过实物验证这一设计方案是可行的。关键词STC89C52；超声波测距；74HC04；CX20106A;温度补偿The Hardware Design of Ultrasonic Ranging Syster
3、mTracking Control Technology and Equipment Abstract: Ultrasonic range finder, can be applied to the car into reverse, the construction sites and industrial the position to monitor and may be used as the old, dark, the length of such occasions. In the design of system design, precision measurement ra
4、nge of ultrasonic, the stability of 1cm clear that measurement. In the whole range of ultrasonic hardware circuit that the main circuit design has an ultrasonic the circuit, an ultrasound the circuit, show circuit, temperature compensate circuit and the audible and visible police made a circuit. One
5、 of the main circuits are CX20106A ;The circuit is the use of ultrasonic 74HC04 and in the launch of the change to another in order to improve ;The precision measurement in the circuit joined the compensation arrangement, DS18B20 is used to measure the temperature and to fulfil this function. In the
6、 design by the scheme is feasible.Keywords: STC89C52;Silent WaveMeasureDistance；74HC04;CX20106A;Temperature Compensation目录1 序言11.1 课题研究的背景及意义12 超声波测距的设计思路22.1 超声波传感器及其测距原理22.2 方案论证33 总体方案设计33.1 单片机测距原理43.2 单片机系统及其根本电路4.1 STC89C52的功能介绍5.2 单片机的根本连接电路63.3 超声波发射局部电路73.4 超声波接收局部电路83.5 温度补偿电路10.1 温度传感器工作原
7、理10.2 温度补偿电路113.6 数码显示电路123. 数码管根本知识123.7 键盘电路143.7 报警电路154 软硬件调试16参考文献16附录16结束语19致谢201 序言 课题研究的背景及意义 在我国，超声学的研究开始于二十世纪五十年代，1959年至1964年间我国建立了分子声学实验室，对驰豫吸收、悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究，设计生产了固体中超声衰减的测量设备，对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减的研究取得了令人兴奋的成果。同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了可喜的成绩。外表波换能器的研究我国开始于1965年，于1970年开始了高频外表波的研究，1977
8、年，我国研制成外表脉冲压缩滤波器。在80年代以后，我国的超声研究进入了一个全新的阶断，取得了一系列标志性成果，压电复合材料研制成功，窄脉冲短余振探头问世，PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平，高分子压电PVDF型换能器和超声显微镜的研究获得了实用，高频压电材料LiNb03研制成功。在应用方面，B超和A超医疗探头开始投入生产和医疗应用。超声显微镜投入应用。总的来说，我国在超声方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。近年来超声测试技术已明显表现出以下趋向:1、由定性的判断缺陷的有无而开展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像;2、向在
9、线自动检测和仪器的智能化开展，其中非接触超声测试技术取得突破进展; 3、超声测试技术和材料的物性评价相结合，材料的设计、加工和工程应用迅速开展1。因此超声波在我们日常生活中应用非常广泛，在工业生产中，超声波被应用在金属材料和局部非金属材料探伤，钡口厚，以及超声振动切削加工、清洗、焊接等行业。以及进行物位、浓度、硬度、温度等检测。在医学领域，在诊断显像技术，血流测量计，胎儿检查仪，超声波洁牙器等医疗器械都是利用了超声波的特性。在军事领域中，超声波用于雷达目标定位，武器制导等方面2。 随着科学技术的快速开展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有
10、限，因此，这是一个正在蓬勃开展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的开展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向开展，以满足日益开展的社会需求，在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。 因此设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的目的及意义。2 超声波测距的设计思路2.1 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声
11、波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，那么将超声振动转换成电信号。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比拟方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能到达要求。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为/秒，由单片机负责计时，单片机使用11.095M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以到达毫米级。超声波发
12、生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOFtimeof flight。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离即s=vt/2。其往返时间为t，v为超声波在空气中的传播速度根据设计要求并综合各方面因素，在本课题中采用STC89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如图1所示： 图1 超声波测距系统原理框图2.2 方案论证由于
13、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。利用超声波检测距离，设计比拟方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能到达使用要求。超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，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；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。 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声
14、波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。另外测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的上下成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器3。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用STC89C52单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器来驱动。3 总体方案设计由单片机STC89C52编程产生40kHz的方波，由P3.3口输出，再经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图2所示。图2 时序图
