超声波开题报告.docx

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超声波开题报告

序号：

常州大学

毕业设计（论文）前期材料

（2012届）

学

生

学号

学

院

专业班级

题

目

超声波测距仪设计

类

别

毕业设计

i毕业论文口

校内指导教师专业技术职务

材料目录

序号

名称

数量

备注

1

毕业设计（论文）任务书

2

文献综述（设计类）或开题报告（论文类）

3

外文翻译（封面、译文、原文）

二O—二年三月

、前言

1.课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势

设计一个超声波测距器，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。

要求测量范围在0.10〜4.00m,测量精度1cm,测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

随着传感器和单片机技术的不断发展，非接触式应用已被广泛的应用于多个领域，目前典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测等等。

CCD探测具有使用方便、

无需型号发射源、同时获得大量全景信息等等、但视觉测距需要额外的计算开销。

超声波可以直接测量近距离目标，纵向分倍率高，适用范围广，方向性强，并且不受光线、电子、烟雾等因素影响，且覆盖面较大等优点。

目前，超声波测量已广泛应用到液位测量，移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。

随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用将越来越广。

但就现在技术水平来讲，人们就具体利用测距技术还是十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发张而前景无限的技术和科技领域。

展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要的工具在各方都有很大发张空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需要。

如声纳发展趋势基本为：

研制具有高精度高精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要，继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖拽线阵列声纳，实现超远程的被动探测和识别，研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中识别目标的问题，大幅降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

毋庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多功能测距仪。

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，面貌一新的测距仪将发挥巨大作用。

随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设的加快，城市给排水系统也有较大发展，其情况不断改善。

但是，由于许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。

因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改善排水系统的现象。

城市污水给人们带来的困扰，因此相应的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。

而设计研制相应排污疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在管道中自由排污疏通，是设计管道排污疏通机器人的设计研制的核心部分。

控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。

因此，设计好的超声波测距仪就是得非常重要了。

这就是我设计超声波测距仪的重要意义。

2.课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题

目标：

利用超声波进行精确测距，通过液晶清晰显示距离。

我们知道，由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用的要求。

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、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。

目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。

根据设计要求并综合各方面因

素，决定采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。

AT89C51是一种带4K字节FLASH储存器（FPERO—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读储存器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEI高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

关键问题：

超声波不接触具体物体可以精确测距；可以随意设定距离，至处设定值可以报警；运用温度补偿模块，可以在不同温度中进行测距，提高精确度。

限制系统的最大可测距离存在4个因素：

超声波的幅度，反射的地质，入射角和反射角的夹角和接收器的灵敏度。

接收转换器对脉冲的直接接收能力决定最小可测距离。

为了增加可测量的最大覆盖面积、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为超声波发射\接收的设计方案。

由于超声波属于声波范围，其声速C与温度有关。

、设计方案的确定

2•方案的原理、特点与选择依据

图2.1意了超声波测距的原理，即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号。

这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。

这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离的计算公式为：

d=s/2=（cxt）/2

其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

图2.1超声波测距的原理

超声波测距器系统设计框架如图2.2

图2.2超声波测距器系统设计框图

如图2.2超声波发射器T输出的40kHz方波信号，经扫描驱动进行滤波，接触物体后反射回来，由超声波接收器R接收回波，再由温度补偿模块检测当前温度，从而选择当前温度下的声速，通过计算在LCD上显示所测距离。

由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表2.3列出了几种不同温度下的超声波声速。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。

:

温度/°c

-30

-20

-10

0「

10

20

30

P100

声速

c/（m・s-1）

313

319

325

323

338

344

349

386

表2.3不同温度下超声波声速表

对于温度补偿模块，选用DS18B2C数字温度传感器，独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20勺双向通讯，封装成

后可应用于多种场合。

测温范围—55C〜+125C，固有测温分辨率0.5C。

［工作电源：

3~5V/DC。

3•设计步骤

3.1系统硬件电路的设计

硬件电路主要分为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。

3.1.1单片机系统及显示电路

单片机采用89C51或其兼容系列。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的1062

液晶显示。

通过1602LCD来实现显示，在显示模块上显示本设计的需要显示测距的距离，当前温度及报警所要求的距离。

3.1.2超声波发射电路

发射电路主要由一块反向器芯片74LS04和超声波发射探头T构成，74LS04内部具有6个独立的反相器，通过将外部管脚的组合连接来实现对单片机发出的超声发射探头激励信号进行功率放大处理；单片机通过输出的频率为40KHZ占空比为1/2的方波信号，一路通过74LS内部一级反向器后送到超声波发射探头T的一个电极，另一路经两极反向器后送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号反相叠加到超声波换能器的两端，可以将超声波发射强度提高一倍。

同时输出端两路信号都采用两个反向器并联得方式，这样可以提高超声脉冲的驱动能力。

3.1.3超声波检测接收电路

集成电路CX20106A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与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。

芯片CX20106A勺7引脚的输出方式为集电极开

路，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kQ，没有接收到超声波回波信号时该端输出为高电平，当有回波信号进入时，该引脚则会跳变为低电平，产生一个下降沿跳变，可以触发单片机的外部中断。

3.2系统程序的设计

超声波测距器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。

下面对超声波测距器的算法、主程序、超声波发生子程序和超声波接收中断程序逐一作介绍。

3.2.1主程序

主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器TO工作模式为16位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口PO和P2清Q然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声渡从发射器直接传送到接收器引起的直射渡触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0

接收返回的超声波信号。

由于采用的是12MHZ的晶振，计数器每计一个数就是1卩s,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按

式（3-1）计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取20T时的声速为344m/s

则有

D=（cXt）/2=172T（3-1）

其中T为计数器T0的计数值。

测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LCD显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。

为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用c语言编写。

图3.1为主程序流程图。

图3.1主程序流程图

322超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过P1O端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12卩s左右，同时把计数器T0打开进行计时。

超声波发生子程序较简单，但要求程序运行时间准确，所以采用C语言编程。

超声波发生子程序

如图3.2

图3.2超声波发生子程序

超声波测距仪主程序利用外中断O检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INTO引脚出现低电平），立即进入中断程序。

进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。

如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志宇赋值2以表示本次测距不成功。

超声波返回子程序如图3.3

图3.3超声波返回子程序

三、阶段性设计计划、设计目标与应用价值

第1-4周：

查阅资料，准备外文资料翻译、文献查阅、方案设计

第5-6周：

系统电路原理图的设计

第7-8周：

电路板的制作

第9-12周：

驱动和模块功能的编码工作

第13-14周：

对系统进行调试，完善

第15周：

撰写论文

第16周：

答辩

四、参考文献

［1］徐煜明•《C51单片机及应用系统设计》［M］电子工业出版社，2009年

［2］何桥.《单片机原理及应用》［M］.北京：

中国铁道出版社，2004年

［3］童诗白《模拟电子技术基础》［M］.高等教育出版社，2004年

［4］晁阳.《单片机原理及应用开发教程》［M］.清华大学出版社，2009年

⑸张国峰《单片机原理及应用》［M］.机械工业出版社，2008年

［6］李广弟等•《单片机基础》［M］.北京航空航天出版社，2001年

［7］王东峰等.《单片机C语言应用100例》［M］.电子工业出版社，2009年

［8］陈海宴.《51单片机原理及应用》［M］.北京航空航天大学出版社，2010年

［9］刘守义等•《单片机技术基础》［M］.西安电子科技大学出版社，2007年

［10］钟富昭等.《8051单片机典型模块设计与应用》［M］.人民邮电出版社，2007年

［11］李平等•《单片机入门与开发》［M］.机械工业出版社，2008年

五、指导教师审阅意见

签名

年—月—日