超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、一、課程設(shè)計(jì)目的通過(guò)《傳感器及檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì)，使我掌握傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和設(shè)計(jì)原則及相應(yīng)的硬件調(diào)試的方法。進(jìn)一步理解傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求（一）設(shè)計(jì)內(nèi)容超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用40KHz的超聲波發(fā)射和接收傳感器測(cè)量距離。可采用發(fā)射和接收之間的距離，也可將發(fā)射和接收平行放在一起，通過(guò)反射測(cè)量距離。功能：（1）LED數(shù)碼管顯示測(cè)量距離，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位（單位：cm）。（2）測(cè)量范圍：30cm～200cm，（3）誤差＜0.5cm。（4）其它。（二）設(shè)計(jì)要求（1）掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。（2）獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。（3）設(shè)計(jì)說(shuō)明

2、書(shū)格式規(guī)范，層次合理，重點(diǎn)突出。并附上詳細(xì)的原理圖。三、傳感器工作原理(一)基本介紹超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面?！　∫猿暡ㄗ鳛闄z測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器

3、，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭?！　∫猿暡ㄗ鳛闄z測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭?！　〕暡ㄌ筋^主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。（二）組成部分超聲

4、波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。（三）工作原理超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲接收波換能器。超聲測(cè)距大致有以下方法：（1）取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(其幅值基

5、本固定)與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；（2）測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，測(cè)距原理如圖1所示，距離公式為s=ct/2，其中c為聲速。通過(guò)測(cè)量發(fā)射與接受裝置之間的距離h，利用直角三角形可求得。因?yàn)閟》h，則d=s，d=s=ct/2。本測(cè)量電路采用第二種方案。目標(biāo)hdS圖1測(cè)距原理圖在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是334米/秒，但其傳播速度v易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1℃，聲速增加約0.6米/秒。聲速與溫度關(guān)系如表2所示。因此在測(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過(guò)對(duì)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度加以校正。已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度

6、T時(shí)，超聲波傳播速度V的計(jì)算公式可近似如下：V=331.5+0.607T這樣，只要測(cè)得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度T，就可以精確計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物之間的距離。表2聲速與溫度關(guān)系表：溫度（℃）-30-20-10010203040聲速（m/s）313319325332338344350356四、系統(tǒng)框圖超聲波接收器超聲波發(fā)射器放大電路放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器圖3系統(tǒng)框圖五、單元電路設(shè)計(jì)原理（一）LED顯示電路與鍵盤(pán)控制電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同而已。最簡(jiǎn)單

7、最直觀的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，而復(fù)雜的教完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求，由于只需顯示距障礙物的距離，因此選用LED數(shù)碼管，通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示。動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個(gè)筆劃斷a—dp同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立的受I/O線的控制。CPU向字段輸出口送出字型碼時(shí)，所有顯示器接收