超声波测距仪的设计规划1

西安工业大学大学生创新创业训练计划项目申报表项目名称超声波测距仪研制项目类型创新创业项目所属一级学科名称工学类所属二级学科名称电气工程及其自动化项目负责人梁晓章翟青申报日期2013年4月23日项目名称超声波测距仪的设计项目类型（√）创新创业项目（）创业训练项目（）创业实践项目项目实施时间起始时间：年月完成时间：年月申请人或申请团队姓名年级学校所在院系/专业联系电话E-mail主持人翟青2西安工业大学电气工程及其自动化[e-mail]梁晓章2西安工业大学电气工程及其自动化[e-mail]成员陈豪2西安工业大学电气工程及其自动化[e-mail]张斌2西安工业大学电气工程及其自动化[e-mail]王千陇2西安工业大学电气工程及其自动化[e-mail]刘泽恒2西安工业大学电气工程及其自动化[e-mail]指导教师姓名杨建华研究方向电子信息工程年龄32行政职务/专业技术职务讲师主要成果主要教学成果：曾经主讲课程：模拟电子技术、工科电路分析、MATLAB基础、数字系统设计实验、电子技术仿真实验、EDA开放创新实验。参与了2011年数电省级精品课申报工作。参与了两项校级教改项目研究工作。参与了十二五规划教材《电子技术课程设计》EDA仿真部分的编写工作。编写了电子技术仿真实验和数字系统设计实验教学大纲。在2010年西安工业大学“中央财经支持地方高校实验室建设”项目申报中，参与了虚拟实验课题的申报的工作。主要科研成果：参与多项横向课题研究，第一作者发表科研论文6篇：其中一篇被EI收录。一、项目实施的目的、意义：实施目的：传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中应用越来越广。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限。因此，这是一个正在蓬勃发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的有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪相融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪也将发挥更大的作用。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。实施意义：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，特别是用于空气测距。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。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、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。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。二、项目研究内容和拟解决的关键问题：项目研究内容：1）超声波测距仪的硬件电路设计：单片机最小系统设计、超声波发射电路设计、超声波接受电路设计、温度补偿电路设计、语音播报以及显示等电路设计。2）硬件电路的PCB设计。3）硬件调试。4）系统算法流程设计以及软件编程。5）系统联调。解决的关键问题：1）超声波测距的距离。2）提高超声波测距的精度，减小干扰信号的影响。3）提高普通超声波测距仪的智能性，包括语言播报，LCD显示、通讯等功能。4）解决温度对超声波声速影响。三、项目研究与实施的基础条件：1、基础条件：1）电源；2）超声波发射，接收电路；3）控制，报警电路；4）对项目具有一定的理论研究；5）项目实施所需要的软硬件条件和工具等由电信学院EDA实验室提供。2、项目组具备的知识：1）学习模拟数字电路基础；2）掌握C语言编程与应用；3）掌握简单的单片机知识。3、项目组同学前期成果：组员中对电子实验有兴趣的参加了电子实验室，期间在实验室组织的制作活动中，积极参与，制作了不少小器件，并从中掌握了不少技能。四、项目实施方案：此项目所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。系统设计框图如图所示：超声波测距器系统框图1、硬件电路设计硬件部分主要由电源、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路、语音播报以及显示电路五部分组成。超声波测距仪控制单元包括中央控制处理单元(单片机)、按键输入和显示、输出报警及执行单元四部分构成。具体工作原理简述如下:（1）中央控制处理单元:本单元选用了功能强大的ATmegal6L微处理器，为了对超声波传感器进行灵活控制，我们将控制单元部分独立出来设计成控制单板的形式。（2）按键和显示部分。采用独立式按键控制的输入系统。（3）输出报警。本系统采用蜂鸣器和报警系统。（4）执行单元。本系统采用简单的继电器控制电路，来模拟实际的执行机构的控制过程。2、电路板供电电路的设计电路板供电电路如图所示，220V的市电经变压器变压后输出两路交流15V电压，此电压经整流、滤波处理后输出士巧V直流电压，分别经三端集成稳压芯片U1(7812),U2(7912)，输出恒定的++12V电压和一12V电压，这两路电压提供运放芯片所需电源及PCB板电路部分需要电压。+12V电压经U3(7805)后输出恒定+SV电压，供应单片机、555芯片等芯片所需电源。电路板供电电路原理图3、超声波发射、接收电路的设计超声波发昼声波发射接收模块电路如图所示:超声波接收部分：LM311是单比较器，是晶体管结构，输出级是集电极开路。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。超声波发射模块所需的脉冲信号由555芯片接成多谐振荡器电路产生矩形波脉冲信号，因所选取的超声波发射器在40KHz的脉冲信号驱动下，其发射功率将会最大，并且信号的占空比也会有影响，而50%的占空比最佳，图是555多谐振荡器的基本接法，其脉冲周期T=tl+t2。t1代表充电时间(电容两端电压从DDU上升到DDU所需时间)t10.7}R1+R2)ct2代表放电时间(电容两端电压从DDU下降到DDU所需时间)t20.7R2c因而有T=12t+t≈0.7(R1+2R2)c。对于矩形波，除了用幅度、周期来衡量以外，还存在一个参数占空比q，q=T/tP因此我们在此选用了1OK电阻和1OK滑动变阻器再加上102，实现这一目的，如图所示。并且我们在此应用了反馈信号，使测量值更加准确。多谢振荡器电路温度补偿电路设计：温度对超声波速度影响非常大，采用了DS18B20进行测温。DS18B20是DALLAS为9位一12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃.声速的修正可以采用公式:v=331.4+沂又而.牙石m/s,v为超声波在介质中的传播速度，为计算方便可以采用以下公式:v=331.4+0.607Tm/s语音播报以及显示电路设计：超声测距仪采用ATMEGA16L单片机作为微控制器。超声测距仪的报警电路如图所示。当所测量距离范围在报警设置值内，单片机PC7端口将输出高电平控制继电器的导通。此时报警指示灯点亮。继电器输出端子座连接超声测距仪前面板的报警接口，此报警接口可外接电路设备(如电动机)作为超声测距仪的扩展功能。报警电路图：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。其时序图如图所示。单片机在T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。当收到回波后。计算时间差产生一负即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。五、学校可以提供的条件：本课题在电信学院省级电工电子实验中心EDA实验室开展研究。实验室有具备先进的单片机和电子电路开发和仿真软件；硬件电路设计的常用工具；先进的数字示波器、信号发生器、电源等仪器以及全新的计算机。六、预期成果：1）超声波测距仪硬件电路板一块。2）超声波测距仪软件程序一套3）超声波测距仪研究报告一份。4）公开发表科技论文一篇七、经费预算：1）电子元器件购买：2000元。2）相关书籍购买：500元。3）调研费：1000元。4）打印资料费：500元。5）发表论文费：1000元。八、导师推荐意见：签名：年月日九、学院推荐意见：院系负责人签名：学院盖章年月日十、学校推荐意见学校负责人签名：学校盖章年月日十一、省教育厅评审意见单位盖章年月日注：表格栏高不够可增加。