超声波测距高度定位控制和测量系统3图俱全.docx
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超声波测距高度定位控制和测量系统3图俱全
目录
摘要5
第一章系统总体设计方案7
1.1超声波测距原理7
1.2超声波测距系统7
第二章系统的硬件设计8
2.1超声波发生电路8
2.2超声波接收电路9
2.3温度的补偿11
2.4LED动态显示电路11
第三章系统软件设计12
3.1主程序结构13
3.2中断程序结构14
3.3回波接收程序14
第四章误差分析15
4.1.时间误差15
4.2.超声波传播速度误差15
第五章调试15
第六章整机原件清单16
第七章总结16
7.1设计任务完成情况16
7.2心得体会17
参考文献18
附录一19
附录二20
附录三21
摘要
高度定位控制和测量系统也就是我们常说的超声波测距。
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。
而电子技术及压电陶瓷材料的发展，使高度定位控制和测量系统得到了迅速的发展。
超声测距是一种非接触式的检测技术。
与其它方法相比，它不受光线、被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。
因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，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，具有很高的分辨率，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
关键字：
传感器、测距、测量系统、设计、高度定位
PICK
Highlypositioningcontrolandmeasurementsystemisalsoweoftensaytheultrasonicranging.Duetothestrong,theenergyconsumptionofultrasonicdirectivityslowlyinthemediumofcommunication,distance,andisoftenusedtomeasurethedistanceofultrasonic,suchasrangefinderandmateriallevelmeasurementinstrumentetccanallthroughtheultrasonic.Andelectronictechnologyandthedevelopmentofpiezoelectricceramicmaterials,highpositioningcontrolandmeasuringsystemshavebeendevelopedrapidly.
Ultrasonicrangingisanon-contactdetectiontechnologies.Comparedwithothermethods,itislightanddarkness,theanalyteindust,smoke,electromagneticinterference,toxicetcharshenvironmentshavecertainabilitytoadapt.Therefore,inrobotcontrollevelmeasurement,vehiclenavigation,automaticobjectrecognitioniswidelyused.Especiallytheapplicationintheair,theairvelocityrangeduetolow,theechosignalalongthedirectionofpropagationofcontainsinformationonthestructure,veryeasilywithhighresolution,anditsaccuracyishigherthanothermethodsfor,Andtheultrasonicsensorhassimplestructure,smallvolume,thecharacteristicsuchasbeingreliablesignalprocessing.
Keywords:
sensor,andmeasurementsystem,thedesign,thehighposition
第一章系统总体设计方案
1.1超声波测距原理
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：
L=C×T 式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度其中，取值在温度变化不大时可取344m/s；T为测量距离传播的时间差（T为发射到接收时间数值的一半）。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度，在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，所以就需要对相关电路等进行具体细致的改进。
1.2超声波测距系统
一般的超声波测距系统由超声换能器、换能器驱动电路及数据采集系统组成。
超声换能器是用来发射和接受超声信号；换能器驱动电路用来产生一定频率的交变电压作为换能器的工作电源；数据采集系统用于捕捉、采集回波信号，一般由触发电路、采样电路、微处理器组成。
如LM1812是一种超声波测距的专用集成电路，它拥有换能驱动、回波触发等功能。
如图1.1，为超声波测距系统框图，由发射传感器和接受传感器，振荡电路、时基电路，距离识别电路等组成。
振荡电路、时基电路由LM1812完成。
第二章系统的硬件设计
2.1超声波发生电路
超声波的回波信号较弱，在距离远的情况下只能达到毫伏级。
所以为了加大超声波测距系统的量程范围就要加入驱动电路。
一般采用MAX202双路形式来增强驱动形式，其中T1out和T2out电压值可达到
V。
图中的三极管可作为MAX202的开关，用单片机引脚P0.4控制。
T1in和T2in来自单片机，经过202输出负逻辑电平。
T1in和T2in以80KHz频率高低电平正负交替变换时候，在T1out和T2out之间就会产生40KHz的方波，引脚电压在
V交替变化，如此就增强了驱动能力。
如下图2.1超声波发生电路图。
三极管为开关，在发射完10个超声波后可以关闭MAX202，这样可以减少电源带来的一定的干扰。
2.2超声波接收电路
超声波接收电路图，如下。
为了提高精度，减少干扰，设计中采用了抗干扰技术对电路的供电进行了一定的处理。
运放采用双电源供电，这一电路采用了9V供电，所以运放提供了2.5V的正向电压，如此就使交流信号正负端等价进行放大。
超声波接收时，电容起滤波作用，信号进入放大后被传送到LMV331.如此，比较器的输出端得到40KHZ的方波被输入单片机INT0用来产生中断计时。
其中，第一级放大20倍左右，第二级放大10000倍（均值）。
减小盲区就是通过在发射超声波之前做一次循环指令将增加到最大值来实现。
比较器这一部分调节不当也会出现大问题（输出端会有高频输出），这是因为比较器相对灵敏，变化小的信号就会引起大的输出，使VOH和VOL相互转变。
实验中一般用比较器的正反馈产生滞环特性来降低比较器的灵敏度，这样就减少了干扰。
另外，比较器的输入端需要稳定的基准电压，所以要加电容，用来稳定电压和提高电路工作的稳定性。
2.3温度的补偿
温度对超声波速度影响很大。
使用DS18B20进行温度测控，它的测量范围宽，精度高。
近似计算公式为：
V=331.4+0.6Tm/s（V为超声波在介质中传播的速度）
2.4LED动态显示电路
下图为LED显示电路，为了增加亮度，可以采用74HC245加以增强驱动能力，在共阴端用ULN2003来驱动。
4位LED动态显示需要一个7位I/O口和另外4位I/O口，其中一个控制段选码，另一个控制位选码。
由于所有位的段选都有一个I/O口的控制，因此每个瞬间，只能显示相同的字符，可采用扫描显示方式使在每一瞬间只使某一位显示相应字符，即LED的动态显示。
第三章系统软件设计
系统软件要实现的功能主要是针对系统功能实现及数据的处理和应用。
根据以上叙述，系统软件需要实现以下功能：
信号控制、数据储存、信号处理、数据传输与显示。
整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。
而在这几个部分中，最主要的、难度最大的就要数主程序结构了，它的设计好坏直接关系整个课题的效果。
3.1主程序结构
主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序和中断服务程序。
主程序流程如下图：
3.2中断程序结构
中断服务程序是响应单片机的外部中断。
在系统硬件中，发射的40KHz脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中断信号至单片机。
在中断服务程序中要从把进入中断服务程序处的计数值读出并保存在RAM中，再对该数据进行处理，计算得到相应的距离值，并转换为十进制，最后显示输出。
3.3回波接收程序
回波接收程序流程图：
第四章误差分析
根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。
4.1.时间误差
当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s （20℃室温），忽略声速的传播误差。
测距误差s△t ≈0.0000029s 即2.9ms。
在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。
4.2.超声波传播速度误差
超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。
例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。
若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。
所以在测量的时候应该尽力使测量地点的温度处于一个合适的值。
第五章调试
超声波测距仪的调试比较简单，其中超声波发射和接收采用模块直接实现。
硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。
根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。
系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。
第六章整机原件清单
元件名称
元件数量
元件名称
元件数量
MAX202
1
LMV331
3
LM317
1
DPYGREEN
4
TRANS
1
C
6
89C51
1
R
16
Y9313W
1
RT
1
RECM
1
74LS14
4
第七章总结
7.1设计任务完成情况
通过为期两周的课程设计，完成了本次设计的技术指标。
刚开始设计的时候，完全找不到方向，后来通过自己查找资料，慢慢的有了一定的了解。
本课题中最主要的就是对主程序结构进行构建，完成了它后，整个大体框架就完成了。
最后，按照如此设计，所要求的技术指标基本可以达到。
7.2心得体会
课程设计终于完成了。
这次让我体会到设计电路、连接电路、调测电路过程中的乐苦与甜。
设计是我们将来必需的技能，而这次设计恰恰给我提供了一个锻炼的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。
在做这个课题的过程中，我觉得重要的不是结果而是其中所学习到的东西，有时候可能灵感闪现，觉得自己找到了好办法来解决一些问题，但是实际操作之下，才明白有时候理论上成立，但是实际中根本不具备可操作性，这也许就是理论与实践的差距吧！
现在才觉得就是在这许多的错误中不断的改变方法，调整思路，才最终完成了这个艰巨的任务。
通过一周不懈的努力，终于完成了这项课程设计；设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，也就是我们所说的实现了高度定位控制和测量系统；最后以数字的形式显示测量距离。
此次课程设计让我学到了很多，制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的马虎，对电路的调试不能急躁，对出现的问题一定要冷静的思考、分析，找出合适的解决方法。
除此之外，这个课程设计还培养了我专心致志的工作学习习惯，懂得了相互同学之间的理解与体谅，以及相互合作，可谓受益匪浅啊！
把书本上的理论知识与实际相结合起来，达到了设计的要求，在知识的运用和能力的锻炼上得到了提高。
如今，我在这方面的水平已得到了一个很大的提升，还真的是多亏了这个课程设计啊！
参考文献
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附录一
附录二
附录三
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