高精度超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)本科畢設(shè)開題報(bào)告l

1、南京航空航天大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 學(xué) 院 專 業(yè) 題 目高精度超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 畢設(shè)地點(diǎn) 指導(dǎo)教師職稱 2011年3月22日 15002000字左右的 1.結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 文獻(xiàn)綜述： 超聲波是頻率高于20000赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中 的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在 醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得 名。 隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電 子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越

2、廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超 聲波屬于機(jī)械波的范疇，超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì) 的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫?有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。 如今，人們對(duì)距離或長(zhǎng)度測(cè)量的要求越來(lái)越高。超聲波在氣體、液體及固體中以不 同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)。超聲波能以 一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測(cè)定超聲波往返所用時(shí) 間就可計(jì)算出實(shí)際距離，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸測(cè)量物體距離。超聲波測(cè)距由于其能進(jìn)行非接 觸測(cè)量和相對(duì)較高的精度，越來(lái)越被

3、人們所重視。超聲波測(cè)量在國(guó)防航空航天、電力石 化、機(jī)械材料、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量保障安全， 還可以起到節(jié)約能源，降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測(cè)相比，其 最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測(cè)物體內(nèi)部情況。超聲檢測(cè) 設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，使用方便的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。近十年來(lái)， 由于微機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代電子技術(shù)，信號(hào)處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收技術(shù)的發(fā)展，突破 了常規(guī)超聲測(cè)量的限制，進(jìn)一步開拓了其適用范圍。由此可見，由于超聲測(cè)距是一種非 接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境（如含粉塵）具有一 定的適

4、應(yīng)能力。因此，利用超聲波測(cè)距，在許多方面有很多優(yōu)勢(shì)?？傊?，本課題的研究 是非常有實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。 參考現(xiàn)階段的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)和應(yīng)用，從技術(shù)角度上講，超聲波發(fā)生器可以分為 兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括 壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn) 生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的 是壓電式超聲波發(fā)生器。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí) 開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反 射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳

5、播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 （s）,即：s=340t/2。最常用的超聲測(cè)距的方法是 回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì) 時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到 反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記 錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 s,即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變 化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度

6、要求 很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲 波往返的時(shí)間，即可求得距離。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài) 掃描法實(shí)現(xiàn)LCD數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，其中硬件部分主 要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。采用 AT80C52來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波轉(zhuǎn)換模塊、語(yǔ)音電路和顯示電路的控制。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就 是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。軟件部分主 要有主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序。 其中超聲波測(cè)距系統(tǒng)的核心

7、電路設(shè)計(jì)如下： 1、40kHz脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用TCT-40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是 40kHz的脈沖信號(hào)，這由單片機(jī)執(zhí)行程序來(lái)產(chǎn)生。前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī)P1.0 端口，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后，在P1.0端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極 管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭TCT-40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射 200ms。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接 P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測(cè)距電 路相同。 2、超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的 TCT-40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn) 算放大器IC

8、1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊 LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率 f0=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié) R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號(hào)大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗?平，作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。 主要參考文獻(xiàn)： 1、單片機(jī)原理與應(yīng)用作者：劉湘濤等主編 出版社：電子工業(yè)出版 2、 單片機(jī)實(shí)例指導(dǎo)作者：李光飛樓然苗等主編出版社：北京航空航天大學(xué)出版社 3、ADC0808/ADC0809 8-BituPCompatibleA/D Converters with 8-channel Multiplexer。

9、 2. A Mobile Robot Localizati on Using Ultras onic Sen sors in In door En vir onment 3.畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)要研究或解決的問題和擬采用的方法: 超聲波發(fā)生器的選擇問題。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生 超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波 換能器。本次設(shè)計(jì)的超聲波傳感器采用壓電效應(yīng)的傳感器，材料是壓電陶瓷。由于超聲 波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率 也高，故短距離測(cè)量時(shí)選擇頻率高的傳感器，而長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)選擇低頻率的傳感器。 回波處理方式的選擇問題。回波的處理方式上有相位差法與脈沖回波法。本次設(shè)計(jì) 采用由超聲波換能器接收端獲得調(diào)制聲波的回波，經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換后，得到與放大的相 位完全相同的電信號(hào)，此電信號(hào)放大后與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得兩個(gè)正弦電壓的 相位差，根據(jù)所測(cè)相位差就可算得所測(cè)距離。由于采用的是相位比較，使得測(cè)距精確度 大大提高。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本次設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為控制器，用動(dòng) 態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LCD數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器。并通過西門子 TC35I GSM短信模塊實(shí)現(xiàn)將測(cè)得數(shù)據(jù)