超聲波測距儀的設(shè)計(jì)規(guī)劃12

1、西安工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目申報(bào)表項(xiàng) 目 名 稱超聲波測距儀研制項(xiàng) 目 類 型創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目所屬一級學(xué)科名稱工學(xué)類所屬二級學(xué)科名稱電氣工程及其自動(dòng)化項(xiàng) 目 負(fù) 責(zé) 人梁曉章 翟青申 報(bào) 日 期2013年4月23日項(xiàng)目名稱超聲波測距儀的設(shè)計(jì)項(xiàng)目類型（ ）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 （ ）創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目 （ ）創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間起始時(shí)間： 年 月 完成時(shí)間： 年 月申請人或申請團(tuán)隊(duì)姓名年級學(xué)校所在院系/專業(yè)聯(lián)系電話E-mail主持人翟青2西安工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化梁曉章2西安工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化成 員陳豪2西安工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化張斌2西安工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化王千隴2西安工業(yè)大

2、學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化劉澤恒2西安工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名楊建華研究方向電子信息工程年齡32行政職務(wù)/專業(yè)技術(shù)職務(wù)講師主要成果主要教學(xué)成果：曾經(jīng)主講課程：模擬電子技術(shù)、工科電路分析、MATLAB基礎(chǔ)、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)、EDA開放創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。參與了2011年數(shù)電省級精品課申報(bào)工作。參與了兩項(xiàng)校級教改項(xiàng)目研究工作。參與了十二五規(guī)劃教材電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)EDA仿真部分的編寫工作。編寫了電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱。在2010年西安工業(yè)大學(xué)“中央財(cái)經(jīng)支持地方高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)”項(xiàng)目申報(bào)中，參與了虛擬實(shí)驗(yàn)課題的申報(bào)的工作。主要科研成果：參與多項(xiàng)橫向課題研究，第一作者

3、發(fā)表科研論文6篇：其中一篇被EI收錄。一、項(xiàng)目實(shí)施的目的、意義：實(shí)施目的：傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測量精度較高。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限。因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有

4、無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要的有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測距儀相融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀也將發(fā)揮更大的作用。對本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對單片機(jī)的理解和應(yīng)用。 實(shí)施意義：由于超聲波在空氣中波速較慢，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，其波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易

5、檢測出來，具有很高的分辨力，利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。因此超聲測距廣泛應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、物體識別等方面，特別是用于空氣測距。超聲波測距利用聲波反射原理，避免傳感器直接與介質(zhì)接觸，是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測量方法。與紅外、激光及無線電測距相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能高、價(jià)格便宜、安裝維護(hù)方便等優(yōu)異特性。在近距范圍內(nèi)超聲測距具有不受光線、顏色以及電磁場的影響和指向性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾等比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低。超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)

6、避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如:液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。二、項(xiàng)目研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題： 項(xiàng)目研究內(nèi)容：1） 超聲波測距儀的硬件電路設(shè)計(jì)：單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)、超聲波接受電路設(shè)計(jì)、溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)、語音播報(bào)以及顯示等電路設(shè)計(jì)。2） 硬件電路的PCB設(shè)計(jì)。3） 硬件調(diào)試。4） 系統(tǒng)算法流程設(shè)計(jì)以及軟件編程。5） 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。解決的關(guān)鍵問題：1） 超聲波測距的距離。2） 提高超聲波測距的精度，減小干擾信號的影響。3） 提高普通超聲波測距儀的智能性，包括語言播報(bào)，LCD顯示、通訊等 功能。4） 解決溫度對超聲波聲速影

7、響。三、項(xiàng)目研究與實(shí)施的基礎(chǔ)條件： 1、基礎(chǔ)條件：1） 電源；2） 超聲波發(fā)射，接收電路；3） 控制，報(bào)警電路；4） 對項(xiàng)目具有一定的理論研究；5） 項(xiàng)目實(shí)施所需要的軟硬件條件和工具等由電信學(xué)院EDA實(shí)驗(yàn)室提供。2、項(xiàng)目組具備的知識：1） 學(xué)習(xí)模擬數(shù)字電路基礎(chǔ)；2） 掌握C語言編程與應(yīng)用；3） 掌握簡單的單片機(jī)知識。3、項(xiàng)目組同學(xué)前期成果：組員中對電子實(shí)驗(yàn)有興趣的參加了電子實(shí)驗(yàn)室，期間在實(shí)驗(yàn)室組織的制作活動(dòng)中，積極參與，制作了不少小器件，并從中掌握了不少技能。四、項(xiàng)目實(shí)施方案：此項(xiàng)目所研究的超聲波測距儀利用超聲波指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，

8、同時(shí)在發(fā)射的時(shí)候開始計(jì)時(shí)，在超聲波遇到障礙物的時(shí)候反射回來，超聲波接收器在接收到反射回來的超聲波時(shí)，停止計(jì)時(shí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖所示：超聲波測距器系統(tǒng)框圖1、硬件電路設(shè)計(jì)硬件部分主要由電源、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補(bǔ)償電路、語音播報(bào)以及顯示電路五部分組成。 超聲波測距儀控制單元包括中央控制處理單元(單片機(jī))、按鍵輸入和顯示、輸出報(bào)警及執(zhí)行單元四部分構(gòu)成。具體工作原理簡述如下:（1）中央控制處理單元:本單元選用了功能強(qiáng)大的ATmegal6L微處理器，為了對超聲波傳感器進(jìn)行靈活控制，我們將控制單元部分獨(dú)立出來設(shè)計(jì)成控制單板的形式。（2）按鍵和顯示部分。采用獨(dú)立式按鍵控制的輸入系統(tǒng)。（3）

9、輸出報(bào)警。本系統(tǒng)采用蜂鳴器和報(bào)警系統(tǒng)。（4）執(zhí)行單元。本系統(tǒng)采用簡單的繼電器控制電路，來模擬實(shí)際的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過程。2、電路板供電電路的設(shè)計(jì)電路板供電電路如圖所示，220V的市電經(jīng)變壓器變壓后輸出兩路交流15V電壓，此電壓經(jīng)整流、濾波處理后輸出士巧V直流電壓，分別經(jīng)三端集成穩(wěn)壓芯片U1(7812) ,U2 (7912)，輸出恒定的+12V電壓和一12V電壓，這兩路電壓提供運(yùn)放芯片所需電源及PCB板電路部分需要電壓。+12V電壓經(jīng)U3(7805)后輸出恒定+SV電壓，供應(yīng)單片機(jī)、555芯片等芯片所需電源。電路板供電電路原理圖3、超聲波發(fā)射、接收電路的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)晝聲波發(fā)射接收模塊電路如圖所示

10、: 超聲波接收部分： LM311是單比較器，是晶體管結(jié)構(gòu)，輸出級是集電極開路。LM3 5 8內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。超聲波發(fā)射模塊所需的脈沖信號由555芯片接成多諧振蕩器電路產(chǎn)生矩形波脈沖信號，因所選取的超聲波發(fā)射器在40KHz的脈沖信號驅(qū)動(dòng)下，其發(fā)射功率將會(huì)最大，并且信號的占空比也會(huì)有影響，而50%的占空比最佳，圖是555多諧振蕩器的基本接法，其脈沖周期T=tl +t2。t1代表充電時(shí)間(電容兩端電壓從DD U上升到DD U所需時(shí)間)t10.7R1+R2)ct2代表放電時(shí)間(電容兩端電壓從DD U下降到DD U所需時(shí)間)t20.7R2c因而有T=12t+t0

11、.7(R1+2R2)c。對于矩形波，除了用幅度、周期來衡量以外，還存在一個(gè)參數(shù)占空比q，q=T/tP因此我們在此選用了1 OK電阻和1 OK滑動(dòng)變阻器再加上102，實(shí)現(xiàn)這一目的，如圖所示。并且我們在此應(yīng)用了反饋信號，使測量值更加準(zhǔn)確。多謝振蕩器電路溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)：溫度對超聲波速度影響非常大，采用了DS18B20進(jìn)行測溫。DS18B20是DALLAS為9位一12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0. 0625. 聲速的修正可以采用公式:v=331.4+沂又而.牙石m/s, v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，為計(jì)算方便可以采用以下公式:v=331. 4+0. 607Tm/s語音播報(bào)以及顯示電路設(shè)計(jì)：

12、超聲測距儀采用ATMEGA 16L單片機(jī)作為微控制器。 超聲測距儀的報(bào)警電路如圖所示。當(dāng)所測量距離范圍在報(bào)警設(shè)置值內(nèi)，單片機(jī)PC7端口將輸出高電平控制繼電器的導(dǎo)通。此時(shí)報(bào)警指示燈點(diǎn)亮。繼電器輸出端子座連接超聲測距儀前面板的報(bào)警接口，此報(bào)警接口可外接電路設(shè)備(如電動(dòng)機(jī))作為超聲測距儀的擴(kuò)展功能。報(bào)警電路圖：該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連，接收電路輸出端與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖所示。單片機(jī)在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。當(dāng)收到回波后。計(jì)算時(shí)間差產(chǎn)生一負(fù)即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。五、學(xué)校可以提供的條件：本課題在電信學(xué)院省級電工電子實(shí)驗(yàn)中心EDA實(shí)驗(yàn)室開展研究。實(shí)驗(yàn)室有具備先進(jìn)的單片機(jī)和電子電路開發(fā)和仿真軟件；硬件電路設(shè)計(jì)的常用工具；先進(jìn)的數(shù)字示波器、信號發(fā)生器、電源等儀器以及全新的計(jì)算機(jī)。六、預(yù)期成果：1） 超聲波測距儀硬件電路板一塊。2） 超聲波測距儀軟件程序一套3） 超聲波測距儀研究報(bào)告一份。4） 公開發(fā)表科