超声波测距仪课程设计

赵紫光超声波测距仪信号测试技术1目录摘要………………………………………………………………………………1关键字……………………………………………………………………………11引言……………………………………………………………………………11.1超声波测距仪的发展………………………………………………………11.2超声波测距仪的适用范围…………………………………………………21.2.1超声波的用途……………………………………………………………21.2.2超声波的优点……………………………………………………………21.2.3超声波的特性……………………………………………………………22超声波测距仪的原理…………………………………………………………22.1超声波测距仪的结构………………………………………………………22.2超声波测距仪原理…………………………………………………………22.3液晶超声波元件清单………………………………………………………32.4超声波测距仪原理图………………………………………………………53电路调试………………………………………………………………………54实施方案………………………………………………………………………55实验总结………………………………………………………………………66结论……………………………………………………………………………6致谢……………………………………………………………………………6参考文献…………………………………………………………………………7附录………………………………………………………………………………8赵紫光超声波测距仪信号测试技术1超声波测距仪信号检测技术赵紫光重庆三峡学院机械工程学院机械设计与自动化11级重庆万州404100摘要超声波测距仪在生产、生活中有着广泛地用途和重要的作用。超声波测距系统日益重要，应用范围迅速扩大，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，所以经常用超声波来测量距离，如测距仪和物体测量仪，超声波测距仪装置上有设置瞄点装置，只要把仪器对准要测量的目标，就会出现一点在测距仪的显示屏幕上，主要是通过声速来测量的，肉眼看不见射出的线。关键字超声波测量距离应用广泛1引言超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波。超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片。超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以经常用超声波来测量距离，如测距仪和物体测量仪，超声波测距仪装置上有设置瞄点装置，只要把仪器对准要测量的目标，就会出现一点在测距仪的显示屏幕上，主要是通过声速来测量的，肉眼看不见射出的线。但价格也稍贵。从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。1.1超声波发射器的发展超声波发生器，通常称为超声波电箱、超声波发生源、超声波电源。它的作用是把我们的市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。1.2超声波测距仪适用范围1.2.1超声波的用途随着社会的发展和进步，超声波测距系统日益重要，应用范围迅速扩大，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境（如含粉尘）赵紫光超声波测距仪信号测试技术1具有一定的适应能力，因此用途极度广泛。在测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合应用比较普遍。1.2.2超声波的优点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。超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。1.2.3超声波的特性超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。本文设计的数字式超声波测距仪通过对超声波往返时间内输入到计数器特定频率的时钟脉冲进行计数，进而显示对应的测量距离。2超声波测距仪原理2.1超声波测距仪结构课题由51单片机最小系统、超声波测距模块、驱动显示电路、5伏直流稳压电路、温度传感器等组成。利用超声波测距模块HC-SR04测量距离，并对数据进行分析处理，传给51单片机，再通过1602LCD显示出来，同时电源部分采用5V稳压直流电源。设计具有温度补偿功能。2.2超声波测距仪原理超声波发射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，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。这就是所谓的时间差测距法。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赵紫光超声波测距仪信号测试技术1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。2.3液晶超声波原件清单17*9万用板21602液晶3HC-SR04超声波模块4Stc89c51单片机540脚IC座616p单排母座74p单排母座816p排针赵紫光超声波测距仪信号测试技术19103排阻1018b20温度传感器111.5k电阻12220Ω电阻132.2k电阻1410k电阻*21512M晶振1630pf电容*21710uf电容18按键19自锁开关20DC电源接口21导线若干22焊锡若干23USB电源线或电池盒+DC电源插头赵紫光超声波测距仪信号测试技术12.4超声波测距仪原理图EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10GND20VCC40U1STC89C51R1220R510kC130pFC230pFC310uFY112MHzS1GND1DQ2VCC3U3ds18b2012345678910111213141516J11602R610kVCCP37P36P37P36P20P34VCCVCCVCCP21P22P21P22P20P34VCCVCC1234J4hc-sr04COM1R12R23R34R45R56R67R78R89RP110K112233445566S1VCC321P1POWERR81.5kR710kP16P15P00P14P01P13P02P12P03P11P04P10P05P07P06P06P07P05P00P04P01P03P02赵紫光超声波测距仪信号测试技术1赵紫光超声波测距仪信号测试技术13电路调试通过多次试验，对电路各部分进行了测量、调试、和分析。首先测试发射电路对信号放大，把ICI从插座上拔下，并短接ICI插座的1和3脚，这时IC2的4脚应为高电平，并会持续发出高频载波信号，频率约为40KHz，此时可用示波器检测IC4的1脚信号。让超声波探头朝向一面墙，使发出的超声波返回而被接受器检测到，此时再用示波器监视IC4的1脚信号，应能看到超声波脉冲串。4实施方案既然测距，就要选择合适的测距模块，常用的测距有激光测距和超声波测距。激光测距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：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。相位法测距的过程：用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经过往返测线所需的时间。赵紫光超声波测距仪信号测试技术1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电到障碍物的实际距离，可见这与雷达测距原理相似。超声波发射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，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。两种测距方法中超声波比较简单，而且可以利用51单片机，单片机的精度足够准确测量距离，软件设计也比较简单，选用集成的HC-SR04超声波模块，比传统的用芯片搭接的电路精度要高很多，设计更稳定。对主要硬件电路设计、制作实物时拟解决的关键问题是：温度等外界干扰对测距精度的影响。由于超声波也是属于声速，所以在传播途中也会受到温度等外界因素的影响，为了比较精确的得到传感器与液面之间的距离，利用温度传感器检测当时条件下的环境温度，并换算到相对应的超声波声速，利用这个速度去计算距离就可以得到比较准确的距离。因此在整个系统中添加一个温度传感器来对当时环境温度进行检测。还可以用于显示当时的环境温度。并把从外界检测到的温度返回到单片机中，并通过固化在程序中的温度速度表，查得最接近检测到的温度的速度值，代入距离计算公式，从而得到比较精确的距离，提高了超声波测距的精度。主程序的主要功能是负责距离的显示、读出并处理HC-RS04的测量距离值。5实验总结通过此次对声波测距仪的研究学习，了解了声波测距仪元件的特性，通过自己和同组人员来设计实验，激发了学习兴趣。亲手动手操作，观察实验现象，增加了理论学习的趣味，能亲身感受到传感器的作用。另外使大家对超声波测距仪的原理的理解，以及在生活中的广泛应用。因此，通过此次实验的设计，对今后在声波测距仪有更深的认识。同时也锻炼了动手能力，独立思考，团队合作的意识，有利于以后的学习研究。6参考文献《传感器原理及工程应用》，西安电子科技大学出版社，郁有文《传感器与自动检测技术》，高等教育出版社，余成波《电气测试技术》，机械工业出版社，林德杰