超声波测距仪设计开发毕业设计论文.doc
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1、毕业设计(论文)设计(论文)题目:超声波测距仪设计开发学 院 名 称 :自 动 化学 生 姓 名 :专 业 :班 级 :学 号 :指 导 教 师 :答辩组 负责人 :摘 要随着社会的发展,人们对距离测量精度以及测距工具附加功能多样性的要求越来越高。在社会生活中,超声波的应用无处不在,如汽车雷达倒车系统、管道长度测量、物位测量等。由于超声波具有指向性强,能量消耗慢,在介质中传播距离远,因而超声波技术的研究与开发,具有现实意义。本文介绍了一种利用超声波测距的系统。该系统是一种基于STC89C52单片机的超声波测距系统。它根据超声波在空气中传播遇到被测物反射的原理,通过计算传播的时间来确定距离。该系
2、统由超声波传感器模块作为超声波发生器和接收器,主控制器模块进行数据的处理,显示模块实时显示被测距离,按键模块实现测距系统的一些附加功能。该超声波测距系统测距范围为2cm3m,具有测量准确,精度高,显示数据及时的特点,并能锁定当前值,查询历史值。能广泛运用到工厂里,模具制作成型后方便及时校验模具,具有一定的实用性。【关键词】超声波 测距 单片机ABSTRACTWith the development of society, people require more for measurement accuracy and distance meter with multiple functions
3、. In social life, the use of ultrasonic is everywhere, for example, the auto reversing system, the measurement of the length of pipe, the measurement of position and so on. The ultrasonic have some characteristics of powerful directivity, low energy-loss, long propagation distance in the medium, so
4、ultrasound technology research and development has the realistic meaning.This paper introduces a kind of ultrasonic ranging system. This ultrasonic ranging system based on a SCM (Single Chip Microcomputer) of STC89C52. It according to the spread of ultrasound in the air meeting something then reflec
5、ting, and it measures distance by counting the travel time. This system consists of ultrasonic sensor module as the ultrasonic generator and receiver, main controller module for data processing, display module displaying the distance being measured, keys module for some additional function. This ult
6、rasonic ranging systems distance measuring range is 2cm to 3m, and it has characteristics of accurate measurement, high precision, and the data displaying in time, and it can lock in the current value and query historical value. It can be widely applied in factory, and it checks a mold after making
7、the mold conveniently, so it is certainly practical.【Key words】ultrasonic distance measurement SCM目 录前 言1第一章 超声波测距系统工作原理2第一节 超声波概述2第二节 超声波传感器简介3一、压电式超声波传感器3第三节 超声波传感器原理5一、测距原理5二、超声波测量中盲区及近限和远限5三、提高测距仪的措施6第四节 超声波测距仪系统设计7一、论文设计内容7二、硬件设计内容7第五节 本章小结8第二章 系统硬件设计9第一节 电路原理设计9一、设计总体思路9第二节 主要元器件介绍9一、单片机STC89C
8、529二、超声波传感器HC-SR0411三、显示电路LCD160214四、按键电路22五、下载电路22第三节 本章小结24第三章 系统软件设计25第一节 软件设计总体方案25一、主程序设计总体思路25二、测距子程序软件设计26三、显示程序设计27四、按键程序设计29第二节 本章小结31第四章 超声波测距的误差分析32第一节 超声波测距测量结果32一、测量结果32二、误差分析32第二节 本章小结34结 论35致 谢36参考文献37附 录38一、英文原文38二、英文翻译44三、电路图49四、源程序50前 言超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。近年来,随着电子测量技术的发展,运
9、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。超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。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。随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。由于超声波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,较其它仪器更卫生,更耐潮
10、湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境,具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定,可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制,可进行差 值设定,直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此,超声波在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,因此可以广泛运用在工厂对模具经行校验的过程中,因此超声波测距在精确实时测量的研究上得到了广泛应用。
11、超声波测距原理是发射器发出的超声波以速度v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=v*t/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。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。考虑到该系统应用场合不具特殊性,因此速度v选择常温下的速度344m/s。表1.1 超声波波速与温度的关系表温度()-30-20-100102030100声速(ms)313319325323338344349386第一章 超声波测距系统工作原理第一节 超声波概述声
12、音是与人类生活紧密相联的一种自然现象,人们对声音早有认识,在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上,声学是发展最早的学科之一。然而,由于超声是人耳听不到的信号,直到18世纪,人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时,才推测自然界存在超声波。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围,可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时,人们就觉察不出声的存在,我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波,称为超声波,或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离,与介质的密度
13、和弹性性质有关。对于液体介质,只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。如在常温下,空气中的声速约为344m/s,在水中的声速约为1440m/s,而在钢铁中约为5000m/s。除水以外,大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。声速与介质的许多特性有关,有的关系非常直接,可有精确的理论公式,有的关系比较间接而复杂,但在特定条件下,也可建立一些经验公式,例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等,都可以与声速建立一定关系,这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态
14、参量的变化都会引起响应的声速变化,因此出现了超声温度计和超声流量计等。在声速已知的介质中,可以利用身波传播距离L和传播时间t的关系L=vt,进行超声测距,超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质,在两个介质的分界面上一部分超声波被反射,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。由物理学可知,当波在界面上产生反射时,入射角的正弦之比等于波速之比,当入射波和反射波的波型相同时,波速相同,入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速
15、之比。超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化,取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度与声速c的乘积,用Z表示。它是介质固有的一个常数,它的数值对超声波在介质中的传播非常重要,单位为瑞利(rayl)。超声波在弹性介质中传播时,会发生能量的衰减,其产生原因可分为三个方面: 由于波前的扩展而产生的能量损失; 超声波在介质中的散射而产生的能量损失,即散射衰减; 由于介质内耗所产生的吸收衰减。第二节 超声波传感器简介一、压电式超声波传感器压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压
16、电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,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器了。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛,本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等,压电效应包括正压电效应和逆压电效应3。逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中,由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化,这种位置变化在宏观上表现为产生了形变,形变与电场强度成正比。如电场反向,则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应
17、。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上,晶体将发生交替的压缩和拉伸,因而产生振动,振动频率与交变电压的频率相同,若把晶体耦合到弹性介质中,晶体将充当一个超声源的作用,超声波将被辐射到那种介质中。正压电效应是指当对某电介质施加应力时,产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化,在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与应力成正比,这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能,并用来接受超声波的装置,称为接收换能器。1、超声波传感器频率特性图1.1是超声波的频率特性曲线。图中,f0为超声波发射器的中心频率 ,在f0处,超声波发射器产生的
18、超声机械波最强,也就是说,在f0处所产生的超声波声压能级最高。而在f0两测,声压能级迅速减小。因此,超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的f0的交流电压来激励。由图1.1知,f0为中心频率,曲线在f0处最尖锐,输出电信号的幅度最大,信号f0处接收灵敏度最高。因此超声波接收器具有很好的频率选择特性,在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外,超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系,如果R很大,(如大于100K)频率特性是尖锐共振的,并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小,(如小于10K)频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽,同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动
19、。因此,超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用,才能有较高的接收灵敏度。12011010080700灵敏度KHZf=40KHZ图1.1 超声波发射传感器的发射频率特性2、超声波传感器指向特性实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片,可以把表面上每个点看成1个振荡源,辐射出一个半球面波(子波),这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果(衍射),却有指向性。指向特性用指向图表示。下图1.2就是超声波传感器的指向图。超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成,其物理意义是=0声压最大,角度逐渐增大时,声压减小。超声波传感器的指向角一般为40度80度5。超
20、声波传感器指向特性图如图1.2所示。图1.2 超声波传感器指向特性图第三节 超声波传感器原理一、测距原理超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法,其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体),经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘,就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半,即公式(1.3.1), L= vt/2 (1.3.1)在上式中,L为待测距离,v为超声波的声速,t为往返时间。若要求测距误差
21、小于0.lm,已知声速v=344m/s(20时)。显然,直接用秒表测时间是不现实的。因此,实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。二、超声波测量中盲区及近限和远限用往返时间检测法测量距离时,障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近,存在着距离测量的近限和远限1。距离过远时,接收到的信号太弱,以致无法从噪声信号中分辨出来,这是远限存在的原因。在距离过近时,接收信号将落进盲区中而无法分辨出来,这是近限所以存在的原因。在使用一个探头同时充当发射和接收的情况下,由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上,虽然发射信号只维持一个极短的时间,但停止施加发射信号后,
22、探头上还存在一定的余振,因此在一段较长的时间内,加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的,可以达到限幅电路,引起探头振动,不能进行正确的测量,同时,探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小,即使是离探头较近处的液面反射信号也达不到限幅电路的限幅电平。当液面离探头越来越远时,接收信号与发射信号相隔时间越来越长,其幅值相应的越来越小。同时,接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多。为了保证一定的信噪比,接收信号需要规定一个值,接收信号必须大于这个值,才能有输出信号。这就构成了远限的问题。在使用一个探头的情况下,发射信号的幅值要维持到低于引起探头振动时,接收信号才基本上摆脱了发射信
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