高精度超声波测距仪的设计和实现答辩PPT

超声波测距仪的设计与实现专业：应用物理系姓名：指导教师：第一章绪论第二章超声测距技术方案分析第三章超声波测距系统硬件部分设计第四章超声波测距系统软软部分设计第五章系统实现与检验1.2本课题相关说明1.1选题背景及意义第一章

绪论1.1选题背景及意义超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在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，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。1.2本设计相关说明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，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主系统及超声波发射模块、超声波接受模块、温度补偿模块、语音播报模块、LCD显示模块几部分组成。采用AT89S52来实现对各个子模块的控制。由单片机计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，结合超声波声速通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，并将距离和温度补偿模块所测得的环境温度在LCD屏幕上予以显示。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。项目概述2.2超声测距原理2.3超声测距系统的主要参数2.1超声与超声的特性第二章

超声测距技术方案分析2.1超声与超声的特性声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为20000赫兹)时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波的特性有：（1）束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。

（2）吸收特性

声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。 （3）超声波的能量传递特性

超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢。因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。 （4）超声波的声压特性

当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。2.2超声测距原理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。V=331.4+0.607T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。这就是超声波测距仪的基本原理。3.2单片机处理单元3.3发射模块3.1概述第三章

超声测距技术硬件部分设计3.5语音播报模块3.4接收模块3.6温度补偿模块3.1概述整体电路的控制核心为单片机AT89S52。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。整体结构图包括超声波发射电路,超声波接收电路,单片机电路,显示电路,语音播报电路和温度补偿电路等几部分模块组成。单片机控制发射模块发出40kHZ的超声波信号并开始记时，通过超声波发射器输出超声波信号；超声波接收器将接收到的超声波返回信号送至接收模块，经处理后，送至中断信号至单片机，单片机启动中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算和修正，得出距离数并送LCD显示。显示内容包含当前温度值和所测距离。硬件结构图整体设计图3.2单片机处理单元 单片机正常工作时，都需要一个时钟电路和一个复位电路来构成单片机的最小系统。时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟信号，其有两种时钟方式：外部时钟和内部时钟。外部始终是使用外部振荡脉冲信号，常用于多片单片机同时工作，以便于同步。本设计只有一片单片机，采用内部时钟方式。AT89S52内部有一个可控制的负反馈反向大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器构成一个自激振荡器。外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容值虽然没有严格的要求，但是电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、震荡器的稳定性、快速性以及温度稳定性。出于对测距精度的考虑，本设计采用12MHZ的晶体振荡器，c1和c2的电容值约为100PF。

复位是单片机的初始化操作，只要RST引脚出至少保持两个机器周期的高电平就可以实现复位。在RST端出现高电平后的第二个周期，执行内部复位，以后每个周期重复一次，直至RST端变低。单片机的复位电路有两种：上电复位和手动复位。本设计采用手动复位方式。当按下复位按钮时，电容迅速放电，使RST端迅速变为高电平，复位按钮松开后，电容通过电阻充电，逐渐使RST端恢复低电平。单片机最小系统电路图3.3发射模块超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40－16T能向外界发出40kHz左右的方波脉冲信号。发射模块的核心是MAX232集成块。由于单片机端口输出功率不够，故需要通过发射模块来实现推动超声波发射探头工作的效果，通过编程由单片机P3.1端口输出脉冲信号至发射模块，发射模块随即控制超声波发射器TCT40－16T以将超声波发射到空气中。资料发射模块电路图3.4接收模块TCT40－16T发射的超声波在空气中传播，遇到障碍物就会返回，返回的部分有超声波接收器接收。超声波接收部分是为了将反射波(回波)顺利接收到，超声波接收换能器TCT40－16R将接收到的反射波转换变成电信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后得到一个负脉冲送给单片机的3.2(INT0)引脚，以产生一个中断。

在这里我采用的是集成电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。接收模块电路图3.5语音播报模块语音播报模块电路图3.6温度补偿模块DS18B20是美国DALLS公司推出的温度传感器芯片。为提高测距精度，采用温度检测电路。温度测量电路是基于DS18B20单线式数字温度传感器，电路非常简单，可直接将其DS-D端与单片机P3.3口（详见图3.6）相连。利用温度检测电路实时的测量环境温度T并将结果送至单片机，单片机分析计算超声波的修正后速度。温度补偿模块电路图4.2发射程序和接收中断程序4.3通过温度修正速度程序4.1概述第四章

超声测距技术软件部分设计4.4主程序4.1概述超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。采用C语言编程，翻译成汇编语言写入单片机。4.2发射程序和接收中断程序voidsend()//脉冲波发送{ uchari;TH0=0; TL0=0;//清定时0 TR0=1;//开定时0 ET0=1; for(i=0;i<10;i++) { sg=~sg;//超声波发送引脚

_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); } sg=1; delay(36); EX0=1;//开外部中断 }voidrec()interrupt0using2{Tout=0; //超时标志

flag=1;//外部中断标志位

TR0=0;//关定时器0 ET0=0; EX0=0; time=256*TH0+TL0;}voidTimeOut(void)interrupt1 using2{Tout=1;flag=0; TR0=0;ET0=0;}4.3通过温度修正速度程序uintget_temp(){floatwendu;init18b20();wr18b20(0xcc);wr18b20(0x44);init18b20();wr18b20(0xcc);wr18b20(0xbe);temp_data[0]=read18b20();temp_data[1]=read18b20();tvalue=temp_data[1];tvalue<<=8;tvalue|=temp_data[0];if(tvalue<0x0fff)tflag=0;else{tvalue=~tvalue+1;tflag=1;}wendu=tvalue*(0.625);tvalue=wendu*100;return(tvalue);}floatcomputerv(void){floatv;v=331.4+0.607*tvalue/1000;return(v);}4.4主程序

{ ulongs; ucharflag1; TMOD=0x11;//定时0方式1 TH0=0; TL0=0;//清定时值;//EX0=1;//开外部中断0 IT0=1;//外部中断0下降沿触发

EA=1;//开总中断

lcd_init(); flag=0; while(1) {flag1=1; if(flag1==1) {tvalue=get_temp(); display2(tvalue); print(1,1,"温度:"); printstr(4,1,disbuft,7); c=computerv(); send(); while(Tout==0) {if(flag==1)

{s=computers(c); if(s<1462) {print(3,2,"盲区"); sound_play3();} else {display(s); print(1,2,"前方距离:"); printstr(3,3,distance,7); sound_play1(); sound_play2();} flag=0; while(1);}} if(Tout==1) {Tout=0;ErrorDisplay();} } }5.2功能测试5.1硬件组实物图第五章

系统实现与检验5.3误差分析5.1硬件实物组图5.2功能测试障碍距离0.050.100.150.200.250.300.350.40显示数据盲区0.10360.15350.20190.25160.30140.35020.4019误差值*0.00360.00350.00190.00160.00140.00020.0019显示数据0.500.600.700.800.901.001.502.00显示距离0.50040.60020.69680.79760.89930.99881.50252.0008误差值0.00040.0002-0.0032-0.0024-0.0007-0.00120.00250.0008障碍距离2.503.003.504.004.504.905.005.50显示数据2.50372.99913.50433.99864.50174.9021盲区盲区误差值0.0037-0.00090.0043-0.00140.00170.0021**测试结果表5.3误差分析1.发射接收时间误差2.实际声速获得上的误差3.测试过程中出现的误差谢谢观看第一节活塞式空压机的工作原理第二节活塞式空压机的结构和自动控制第三节活塞式空压机的管理复习思考题单击此处输入你的副标题，文字是您思想的提炼，为了最终演示发布的良好效果，请尽量言简意赅的阐述观点。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor压缩空气在船舶上的应用：

1.主机的启动、换向；

2.辅机的启动；

3.为气动装置提供气源；

4.为气动工具提供气源；

5.吹洗零部件和滤器。

排气量:单位时间内所排送的相当第一级吸气状态的空气体积。单位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor空压机分类：按排气压力分：低压0.2～1.0MPa；中压1～10MPa；高压10～100MPa。按排气量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空气压缩机

piston-aircompressor第一节活塞式空压机的工作原理容积式压缩机按结构分为两大类：往复式与旋转式两级活塞式压缩机单级活塞压缩机活塞式压缩机膜片式压缩机旋转叶片式压缩机最长的使用寿命-

----低转速（1460RPM），动件少（轴承与滑片），润滑油在机件间形成保护膜，防止磨损及泄漏，使空压机能够安静有效运作；平时有按规定做例行保养的JAGUAR滑片式空压机，至今使用十万小时以上，依然完好如初，按十万小时相当于每日以十小时运作计算，可长达33年之久。因此，将滑片式空压机比喻为一部终身机器实不为过。滑(叶)片式空压机可以365天连续运转并保证60000小时以上安全运转的空气压缩机1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。4.被压缩的空气压力升高达到额定的压力后由排气端排出进入油气分离器内。1.进气2.开始压缩3.压缩中4.排气1.凸凹转子及机壳间成为压缩空间，当转子开始转动时，空气由机体进气端进入。2.转子转动使被吸入的空气转至机壳与转子间气密范围，同时停止进气。3.转子不断转动，气密范围变小，空气被压缩。螺杆式气体压缩机是世界上最先进、紧凑型、坚实、运行平稳，噪音低，是值得信赖的气体压缩机。螺杆式压缩机气路系统：

A

进气过滤器

B

空气进气阀

C

压缩机主机

D

单向阀

E

空气/油分离器

F

最小压力阀

G

后冷却器

H

带自动疏水器的水分离器油路系统：

J

油箱

K

恒温旁通阀

L

油冷却器

M

油过滤器

N

回油阀

O

断油阀冷冻系统：

P

冷冻压缩机

Q

冷凝器

R

热交换器

S

旁通系统

T

空气出口过滤器螺杆式压缩机涡旋式压缩机

涡旋式压缩机是20世纪90年代末期开发并问世的高科技压缩机，由于结构简单、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪声、长寿命等诸方面大大优于其它型式的压缩机，已经得到压缩机行业的关注和公认。被誉为“环保型压缩机”。由于涡旋式压缩机的独特设计，使其成为当今世界最节能压缩机。涡旋式压缩机主要运动件涡卷付，只有磨合没有磨损，因而寿命更长，被誉为免维修压缩机。

由于涡旋式压缩机运行平稳、振动小、工作环境安静，又被誉为“超静压缩机”。

涡旋式压缩机零部件少，只有四个运动部件,压缩机工作腔由相运动涡卷付形成多个相互封闭的镰形工作腔，当动涡卷作平动运动时，使镰形工作腔由大变小而达到压缩和排出压缩空气的目的。活塞式空气压缩机的外形第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）工作循环：4—1—2—34—1吸气过程

1—2压缩过程

2—3排气过程第一节活塞式空压机的工作原理一、理论工作循环（单级压缩）

压缩分类：绝热压缩：1—2耗功最大等温压缩：1—2''耗功最小多变压缩：1—2'耗功居中功＝P×V（PV图上的面积）加强对气缸的冷却，省功、对气缸润滑有益。二、实际工作循环（单级压缩）1.不存在假设条件2.与理论循环不同的原因：1）余隙容积Vc的影响Vc不利的影响—残存的气体在活塞回行时，发生膨胀，使实际吸气行程（容积）减小。Vc有利的好处—

（1）形成气垫，利于活塞回行；（2）避免“液击”（空气结露）；（3）避免活塞、连杆热膨胀，松动发生相撞。第一节活塞式空压机的工作原理表征Vc的参数—相对容积C、容积系数λv合适的C：低压0.07-0.12

中压0.09-0.14

高压0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容积Vc的影响C越大或压力比越高，则λv越小。保证Vc正常的措施：余隙高度见表6-1压铅法—保证要求的气缸垫厚度2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理2）进排气阀及流道阻力的影响吸气过程压力损失使排气量减少程度，用压力系数λp表示：保证措施：合适的气阀升程及弹簧弹力、管路圆滑畅通、滤器干净。λp

（0.90-0.98）2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理3）吸气预热的影响由于压缩过程中机件吸热，所以在吸气过程中，机件放热使吸入的气体温度升高，使吸气的比容减小，造成吸气量下降。预热损失用温度系数λt来衡量（0.90-0.95）。保证措施：加强对气缸、气缸盖的冷却，防止水垢和油污的形成。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理4）漏泄的影响内漏：排气阀（回漏）；外漏：吸气阀、活塞环、气缸垫。漏泄损失用气密系数λl来衡量（0.90-0.98）。保证措施：气阀的严密闭合，气缸与活塞、气缸与缸盖等部件的严密配合。5）气体流动惯性的影响当吸气管中的气流惯性方向与活塞吸气行程相反时，造成气缸压力较低，气体比容增大，吸气量下降。保证措施：合理的设计进气管长度，不得随意增减进气管的长度，保证滤器的清洁。2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（单级压缩）第一节活塞式空压机的工作原理上述五条原因使实际与理论循环不同。4）漏泄的影响5）气体流动惯性的影响1）余隙容积Vc的影响2）进排气阀及流道阻力的影响3）吸气预热的影响2.与理论循环不同的原因：二、实际工作循环（