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1、 现代检测技术设计报告课题名称： 超声波实时测距系统设计 专 业： 班 级： 组 员： 指导教师： 摘 要大三的第二学期我们学习了现代检测技术这门课，在徐老师的指导下我们对各种传感器技术的原理方法和应用以及新型的检测技术有了一定程度的了解和学习，并对其中位移检测技术做了进一步的学习研究。位移表示物体（或质点）在一定的方向位置移动，物体（或质点）做直线运动时的位移称为线位移，做旋转时的位移称为角位移。位移是机械量中最基本的参数，力、压力、速度、加速度、振动等许多物理量的测量方法都是以位移测量为基础的，因此位移的检测在工程中尤为重要。传统测位移方法包括应变式传感器测位移，光电式传感器测位移，霍尔传
2、感器测位移，电容式传感器测位移，光位移传感器测微仪，激光传感器测距，超声波传感器测位移等等。我们小组在明确学习方向后，对中长距离的测距方法包括激光测距、雷达测距以及超声波测距进行了系统研究和比对，并从中选取了超声波传感器，作为实验对象，经过对其原理、特点应用深化了解后，我们利用51单片机进行功能设计，完成了对其测距显示的功能，并完成无线上位机实时接收显示数据。从中对于传感器知识有了更详实真切的体会，也对于检测技术这门课程有了一个系统的认识。目 录摘 要1一 、概述31.1设计目的31.2 长距离测距方法比对及选择31.3 本文结构3二 、超声波传感器系统学习42.1超声波传感器原理42.2超声
3、波传感器常用电路52.3超声波传感器应用6三 、 超声波测距系统设计73.1 系统整体说明73.2本组选用超声波测距模块73.3选用单片机103.4 无线模块103.5 LED灯提示设置113.6 与微机连接以及上位机11四 、 部分源程序124.1 超声波测距部分程序124.2 uart初始化13五、 硬件部分14六 、 实验结果156.1现将数据监控界面展示如下：156.2 实验数据16七、 总结177.1 软硬件方面实验收获177.2 现代检测技术认识177.3 团队分工及课改认识17一 、概述1.1设计目的1、通过查找资料、实验或仿真，了解并充分认识现代检测技术的各个环节；2、通过理论
4、结合实践，使学生接受工程师的基本技能训练；3、开发和提高学生从事科学研究的能力。1.2 长距离测距方法比对及选择在现代检测技术课上，老师为我们详细地讲解了在长距离测量方面的几种常见方法，在此基础上我们查阅资料，又做了进一步研究，现将几种方法归纳如下，并从中进行了一个筛选，找到一个便于实际动手操作同时能对于检测技术这门课能有系统深切认识的传感器进行系统研究。激光测距仪一般采用两种方式来测量距离：脉冲法和相位法。脉冲法测距的过程是这样的：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的
5、精度是一般是在+/- 1米左右。另外，此类测距仪的测量盲区一般是15米左右。而雷达测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。超声波是一种频率比较高的声音,指向性强.超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。通过对上面几种方法的综合对比，我们选择了超声波测距的方法展开研究，因为其测距速度相对较慢，便于单片机的处理，同时通过对于它的学习，我们对于整个测距系统的构建也能有一个很好的认识。1.3
6、 本文结构本文首先对于长距离测距方法做了系统比对研究，然后此基础上，我们选择了超声波传感器，完成其原理、电路及应用分析，接着我们分析了所设计的超声波实时测距系统各大模块以及硬软件介绍，我们作了比较准确的数据比对，最后是我们的总结，包括设计过程中的体会，对于检测技术课程的认识，以及存在的不足。二 、超声波传感器系统学习2.1超声波传感器原理人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ 范围内，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工
7、业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通迅，医疗家电等各方面得到广泛应用。超声波传感器是利用超声波的特性，实现检测的测量元件，也属于压电传感器的一种。探头是超声波传感器的关键部分，主要由压电晶片组成，常用有石英晶体、压电陶瓷PZT等，在超声波传感器中，通过对压电材料切片上施加交
8、变电压，产生正压电效应使用晶片发生交替的压缩和拉伸由此产生超声波。超声波接收器利用逆压电效应，当超声波作用到压电晶体片上，使晶片震动，从而产生与之对应的电荷。2.2超声波传感器常用电路2.2.1发送电路分立元件构成的超声波发射电路T/R-40-16便可发射出一串40kHz的超声波信号。此电路工作电压9V，工作电流25mA，控制距离可达8m。 40kHZ超声波发射电路由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流4050mA。发射
9、超声波信号大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一样。2.2.2接收电路 双稳态超声波接收电路 电路中，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机工作一次），触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止状态转变成导通状态时，VD5截止，VT7截止，继电器K释放； 当再来一个触发信号时，VT6由导通转变为截止状态，VD5导通，VT7导通，继电器K吸合.由于增加了双稳电路，使之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。调试时，在a点与+6V（电源）之间用导线快速短路一下后松开，继电器应吸合（或释放），再短路一下松开
10、，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参数。一般情况下一次即可成功。2.3超声波传感器应用我们选用一个图纸就能完整表述出超声波的应用。:三 、 超声波测距系统设计3.1 系统整体说明我们小组所设计的超声波实时测距系统，是以51单片机为主控芯片，通过单片机控制超声波传感器，然后测量启动超声波到接收到反射波时间，计算出与被测物的距离，通过led灯完成距离的一个大致显示，同时通过无线模块发送距离数据到pc机上完成测量距离的上位机实时显示。如下图所示是我们实时测距系统的原理图：Led灯显示单片机超声波传感器IO口操作启动启动计时低电平触发停止计时控制无线模块发送数
11、据无线模块电脑上位机显示3.2本组选用超声波测距模块在对超声波传感器有了系统的认识后，我们小组通过慎重考虑选择了SDM-IO型号的超声波传感器，这一型号使用了 TTL串口模式.相比较其它如IIC,SPI接口方式操作更简单。具体介绍如下：3.2.1主要技术参数： 1）使用电压：DC3.8-5.5V 2）静态电流：小于8mA 3）输出TTL电平 4）感应角度：不大于15度 5）探测距离：0m-1.5m 6）高精度：可达3mm3.2.2接线方式VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND3.2.3 超声波测距原理超声波是一种频率比较高的声音,指向性强.超声波测距的原理是利用超声波在空气
12、中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。 3.2.4测距公式测距的公式表示为：L=CT 式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。已知超声波速度C=344m/s (20室温)3.2.5超声波测距误差 超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系,近似公式为：C=C0+0.607T 式中：C0为零度时的声波速度332m/s； T为实际温度()。
13、 对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。超声波测距会随着射面的不同发生变化超声波就是频率高些的声音,不同材料,形状的物体对声音的吸收率不同,反射角度不同,只有反射到接收头(也就是超声波发射的方向)的能量才会被探测到,所以不同物体测量的有效测量距离不同.一般来说,平面光滑的物体(如镜面)反射距离最远,通常说的最大探测距离指的就是这类物体,细小的物体探测距离很近很多,如细棉线,面积小,而且吸收声音,就探测不到.下面列举实际物体的最大探测距离:1. 圆珠笔,200mm 2. 2.手,400mm3.1mm粗带塑料套的电线,30mm4.游标卡尺,450mm5.人体(穿
14、厚衣服),400mm6.墙面,1200mm(最大1500mm左右,需要垂直测量)3.2.6 单片机操作使用超声波计时，使TRIG=0,最少延迟10us的时间,然后TRIG=1,超声波模块此时开始启动一个测量周期,发射若干个40khz的声波,然后启动10ms的定时器等待反射波,如果收到反射波,模块的ECHO输出一个宽度为150us的负脉冲,从TRIG=1到ECHO=0的时间即为从发射到收到发射波的时间t.然后通过公式s=1.7*t-s0（s0为由于延时和发射端偏置产生的误差）就可以得到实际距离。其超声波信号检测波形图如图所示 3.3选用单片机因为所设计的系统较为简单，因此我们只需简单的STC单片机就可以完成整个设计。而由于我们使用的无线发送模块，正好是STC单片机和NRF905集成的模块，于是我们就利用这一模块上课拓展的IO进行了整个设计。我们所使用的模块如图所示： STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合
