超声波身高测试.docx

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超声波身高测试

创新制作课程报告

实训时间：

2015.9-2015.12

　　实训地点：

浙江商职院

　　专业：

应用电子

班级：

应电1331

姓名：

朱康敏

　　学号：

1509133129

　　指导教师：

华良

2015年12月1日

一、创新制作实训目的及要求

目的：

本次设计电路采用超声波在空气中运行原理设计的身高测量仪，该测量仪是由AT89C51作为中央控制系统，超声波发射电路由发射驱动电路和设于该驱动电路输出端的超声波换能器构成，超声波接收电路由超声波接收换能器、限位电路和超声波接收集成块电路构成，能测量的最大距离为2m，测试分辨力为0.1cm，距离显示用数码管，最大显示距离为200.0cm。

要求传感器要有较好的方向性，并对脉冲响应、发送和接收的频带范围要宽。

因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

将课本上所学习到的理论知识在实践中融会贯通、互相结合。

提高动手能力，将传感器真正运用到实践中并直观的表达出来。

同时也了解传感器的功能以及特点。

要求：

1．了解传感器的工作原理与工作特性；

2.掌握传感器应用于身高测试仪的原理；

3.能根据原理特性分析结果，加深对传感器的认识与应用；

4.对身高测试仪硬件部分进行焊接；

5.对身高测试仪出现的问题进行解决。

二、创新制作项目的概述

1.创新制作的系统框图；

单片机发出信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送数码管显示。

超声波测身高的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当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=（c×t）/2

其中，d为被测物与测身高仪的距离，s为声波的来回的路程，c为反射速，t为声波来回所用的时间。

原理：

单片机发出超声波测身高是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差tr，然后求出距离S＝Ct／2，式中的C为超声波波速。

限制该系统的最大可测身高离存在4个因素：

超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测身高离。

为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射／接收的设计方法。

由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。

发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。

由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

如果测身高精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

2.该项目的主电路图；

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

3.该项目作品的性能指标。

3461BH数码管：

（1个）

能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

发光响应时间极短（<0．1µ；s），高频特性好，单色性好，亮度高。

体积小，重量轻，抗冲击性能好。

寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。

成本低。

s9012三极管：

（4个，q1-q4）

结构：

PNP

集电极-发射极电压-30V

集电极-基电压-40V

射极-基极电压-5V

集电极电流0.5A

耗散功率0.625W

结温150℃

特怔频率最小150MHZ

放大倍数：

D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300

s9013三极管：

（1个，q5）

结构：

NPN

集电极-发射极电压25V

集电极-基电压45V

射极-基极电压5V

集电极电流0.5A

耗散功率 0.625W

结温150℃

特怔频率最小150MHZ

放大倍数：

D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300

超声波传感器：

工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反之灵敏度低。

AT89C51：

 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL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，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。

与MCS-51兼容 

4K字节可编程闪烁存储器 

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

全静态工作：

0Hz-24Hz

三级程序存储器锁定

128*8位内部RAM

32可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

5个中断源 

可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

片内振荡器和时钟电路

三、创新制作项目的主要内容

1.创新制作项目的详细电路原理图分析；

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。

利用超声波检测身高离，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农业生产等自动化的使用要求。

  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，本文采用AT89S51单片机作为控制器，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。

2.给出该项目的PCB电路板的设计图；

显示部分

超声波部分

显示部分带单片机

3.详细阐述各模块电路的工作原理。

超声波模块：

从程序编写与调试的过程来看，并没有那么简单。

因为超声波第一次发送40KHZ的信号出去后反射回来，有可能又被反弹回去，这样以来，相当于超声波在两个障碍物之间不断地来回反弹，导致接收端不断地收到”回波信号“——实际上第一次反弹回来的才是回波信号，其他的都是二次、三次...的反弹回波信号。

如果每次检测到回波就让蜂鸣器响一次，那么，我们程序运行时，可能会听到蜂鸣器不断地响，可能就是这个原因。

主控模块：

该设计采用AT89C51单片机作为主控芯片。

该芯片是一款高性能的CMOS8位微处理器，自带4KB闪存，产品性价比高，满足系统的设计需求。

该系统中主控芯片AT89C51不断的对采集到的距离信号与额定两米信号进行比较。

测身高显示模块：

该设计显示部分采用1个4位8段共阴极数码管FJ3461BH，数码管用于显示设定身高。

四、创新制作项目的调试与检测

1.给出该项目制作过程的故障分析及解决方法；

单片机模块指示灯未亮

（1）电源未接正确；

断电后，测正负极是否正确，再按正确方向连接

（2）单片机模块焊点有接触；

断电后，将底部焊点擦拭，直至未发现焊点间有解除

显示模块未显示数值

（1）显示模块未接电源；

将电源接口按正确方向进行连接

（2）数码管检测是否焊坏；

经过检测，数码管损坏，换上新数码管后，有显示

（3）显示模块有虚焊，连接线是否断；

用万用表检测，有焊点虚焊少焊，连接线之间有断裂、碰触，更换后，能正常工作

超声波模块未反应，数码管模块显示均为一样的数值

（1）超声波电源是否连接正确；

经过测试，已按正确电源方式进行连接

（2）超声波模块输入输出连接错误；

对比原理图连接，将错误的连接口及发射接收口进行重新连接，单片机能正常接收发送超声波信号

2.根据作品功能要求，例表给出实际测试结果并分析误差产生原因。

根据超声波测量公式L=（CxT）/2,可知测量的误差是由超声波在空气中传输速度有一定的误差和测量距离传播的时间误差引起的。

所用的344米/秒是按照室温20℃来算的，并不是一直都是这个温度，从而会产生一定的误差，从而导致与实际的距离有一定的误差是正常的。

对于使用的超声波模块及单片机运算速度上，也会产生一定的误差，这是无法避免的，不能保证所有的元器件都是所需要的数值，单片机运算上的开门关门也是需要一定时间的，就像EDA课程中，理论波形和实际波形是不一样的。

结语

1.总结本次创新制作项目；

超声波测身高的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测身高方法有两种，一种是在被测身高离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测身高仪。

此次设计采用反射波方式。

超声波测身高仪硬件电路的设计主要包括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。

单片机采用AT89S51或其兼容系列。

超声波测身高的算法设计原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当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。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。

当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C0的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。

2.给出该项目的改进方案及技术展望；

对于这个项目，有些地方需要有点改进，这次做的身高测试最高高度只有两米，而现实中有好多人都有两米多高，所以应该扩大电容的容量，让测身高的范围能够变大，同时我们也可以用这个项目进行改进，可以变成倒车雷达，但最好在传感器外面弄一个金属外壳，用于减少外界的干扰，这样就可以使测量更加精确。

随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广泛。

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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。

过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，影响了测量结果的准确性和可靠性，超声波传感技术的出现改变了这种状况。

在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。

本设计有效地解决了传统身高测量中手工操作和机械操作速度慢、噪音大的弊端，是一种集高科技、智能化、自动化于一体的体质测量仪器，备受市场青睐。

附录：

不测试的情况：

测试1：

测试2：

错误测试：