高精度超声波测距仪的设计方案和实现本科毕设开题报告l

1、南京航空航天大学 毕业设计（论文）开题报告 学 院 专 业 题 目高精度超声波测距仪的设计和实现 学生姓名 学号 毕设地点 指导教师职称 2011年3月22日 15002000字左右的 1.结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 文献综述： 超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中 的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在 医学、军事、工业、农业上有很多的应用。因其频率下限大约等于人的听觉上限而得 名。 随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电 子测量技术应用越来越

2、广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超 声波属于机械波的范畴，超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质 的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具 有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。 如今，人们对距离或长度测量的要求越来越高。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。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。超声波测距由于其能进行非接 触测量和相对较高的精度，越来越被

3、人们所重视。超声波测量在国防航空航天、电力石 化、机械材料、医疗等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量保障安全， 还可以起到节约能源，降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其 最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测 设备还具有结构简单，成本低廉，使用方便的优点，有利于工程实际使用。近十年来， 由于微机技术，现代电子技术，信号处理技术以及超声波产生和接收技术的发展，突破 了常规超声测量的限制，进一步开拓了其适用范围。由此可见，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）具有一 定的适

4、应能力。因此，利用超声波测距，在许多方面有很多优势。总之，本课题的研究 是非常有实用和商业价值。 参考现阶段的超声波测距仪设计和应用，从技术角度上讲，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、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产 生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的 是压电式超声波发生器。通过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

5、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。最常用的超声测距的方法是 回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计 时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到 反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离 s,即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速 V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变 化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度

6、要求 很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声 波往返的时间，即可求得距离。 根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，用动态 扫描法实现LCD数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，其中硬件部分主 要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用 AT80C52来实现对超声波转换模块、语音电路和显示电路的控制。计数器所计的数据就 是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。软件部分主 要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。 其中超声波测距系统的核心

7、电路设计如下： 1、40kHz脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用TCT-40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是 40kHz的脉冲信号，这由单片机执行程序来产生。前方测距电路的输入端接单片机P1.0 端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极 管T放大，驱动超声波发射头TCT-40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射 200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接 P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电 路相同。 2、超声波的接收与处理 接收头采用与发射头配对的 TCT-40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运 算放大器IC

8、1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块 LM567，内部的压控振荡器的中心频率 f0=1/1.1R8C3,电容C4决定其锁定带宽。调节 R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，输出端8脚由高电平跃变为低电 平，作为中断请求信号，送至单片机处理。 主要参考文献： 1、单片机原理与应用作者：刘湘涛等主编 出版社：电子工业出版 2、 单片机实例指导作者：李光飞楼然苗等主编出版社：北京航空航天大学出版社 3、ADC0808/ADC0809 8-BituPCompatibleA/D Converters with 8-channel Multiplexer。

9、 2. A Mobile Robot Localizati on Using Ultras onic Sen sors in In door En vir onment 3.毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法: 超声波发生器的选择问题。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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波 换能器。本次设计的超声波传感器采用压电效应的传感器，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高低成正比；而频率高分辨率 也高，故短距离测量时选择频率高的传感器，而长距离的测量时选择低频率的传感器。 回波处理方式的选择问题。回波的处理方式上有相位差法与脉冲回波法。本次设计 采用由超声波换能器接收端获得调制声波的回波，经放大电路转换后，得到与放大的相 位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的 相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。由于采用的是相位比较，使得测距精确度 大大提高。 根据设计要求并综合各方面因素，本次设计采用AT89S52单片机作为控制器，用动 态扫描法实现 LCD数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。并通过西门子 TC35I GSM短信模块实现将测得数据