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超声测距仪的研制

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(71页26863字+图+程序+外文翻译+任务书+开题报告)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 System

Abstract: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 capacity 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 sensor’s basic principle and characteristics 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 constitution 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-amplitude 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 1
1.1  引言 1
1.2  课题意义 1
1.3  设计及论文主要内容 2
第2章  超声测距基本原理 3
2.1  超声测距系统的基本原理 3
2.2  超声波换能器 4
2.3  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 8
3.1  信号源的产生 8
3.2  接收信号前置放大 10
3.3  带通滤波器 10
3.4  自动增益放大电路 11
3.5  峰值检出及门限检测 11
第4章 超声测距系统硬件实现 13
4.1  系统电源设计 13
4.2  微处理器选择 14
4.2.1  微处理器简介 14
4.2.2 单片机控制系统设计 15
4.3  超声换能器的选择 17
4.4  超声测距主要电路实现 18
4.4.1  超声波发射电路设计 18
4.4.2  超声波接收电路设计 20
4.4.3  显示单元设计 21
第5 章  系统软件设计 23
5.1  程序设计 23
5.2 程序实现 23
第6章 系统调试与误差分析 25
6.1 系统调试 25
6.2  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1 31
附录2 35
附录3 36

 


 
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。
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。

 

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