超聲測距電路設計制作-開題報告

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XX 大學畢業(yè)設計（論文）開題報告題目 超聲測距電路設計制作專 業(yè) 名 稱 測控技術(shù)與儀器班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 填 表 日 期 20xx 年 04 月 09 日一、選題的依據(jù)及意義：設計一個超聲波測距儀。要求能夠?qū)崿F(xiàn)利用超聲波進行距離測量，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定的顯示測量結(jié)果?？捎糜谌缙嚨管囂嵝选⒁何?、井深、管道長度的測量等不能直接接觸測量的場合，也可應用于汽車倒車雷達、航海、宇航、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域 [1]。超聲波簡介：超聲波是頻率高于 20000 赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。 超聲波具有如下特性： (1)超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 (2)超聲波可傳遞很強的能量。 (3)超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 (4)超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。超聲效應:當超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學的變化，從而產(chǎn)生一系列力學的、熱學的、電磁學的和化學的超聲效應，包括以下4 種效應: 機械效應、空化作用、熱效應、化學效應 [2]。 超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、單片機技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法 [3]。由于超聲波指向性好,能力消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠,因而超聲波經(jīng)常被用于距離的測量,利用超聲波檢測距離設計比較簡單,計算處理也比較簡單,并且在測量精度方面也能達到日常使用要求。超聲波是一種頻率在 20khz 以上的聲波，作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕悍瓷?、折射、干涉、衍射和散射，與物理聯(lián)系緊密，應用靈活。并且更適合于高溫、高粉塵、高濕度和強電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。無論從精度還是可靠性方面，超聲波測距都做得比較好。利用超聲波測距往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制。具有廣泛的應用前景。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢：歷史上使用超聲波來測量距離是從第二次世界大戰(zhàn)時海軍的聲納技術(shù)的發(fā)展開始。聲納是一種利用聲波在水下測定目標距離和運動速度的儀器。經(jīng)過相關(guān)科技工作人員的研究超聲測距的理論已經(jīng)非常的明確，各種類型的儀器都發(fā)展成熟并且在生產(chǎn)中得到廣泛的應用。 現(xiàn)在超聲波測距系統(tǒng)越來越注重其實用性，因此現(xiàn)在單片機和超聲波測距系統(tǒng)開始緊密結(jié)合起來。比如說，汽車內(nèi)置的倒車防撞系統(tǒng)，潛水艇的音波發(fā)射系統(tǒng)，醫(yī)學器械的檢測系統(tǒng)，工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機器人視覺識別等方面都在大量使用單片機來完成其各個任務。這說明，現(xiàn)在在超聲波測距方面，單片機的使用正在成為主流。這可歸結(jié)為三個原因：一是單片機的成本低廉，對于現(xiàn)如今測距系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都大量使用的形式下，單片機所節(jié)省的制作成本可以更好地用于其它方面，大大提高了社會資源的合理分配：二是單片機系統(tǒng)方便快捷，現(xiàn)在所使用的單片機系統(tǒng)，絕大部分都可以實現(xiàn)程序的修改，因此單片機的使用使測距系統(tǒng)更能體現(xiàn)其靈活性，也使設計出的單片機系統(tǒng)能廣泛適用于各個領(lǐng)域 [4]。三是采用的是非接觸式測量，由于它具有不受外界因素影響，對環(huán)境有一定的適應能力，且操作簡單、測量精度較高等優(yōu)點，大大解決了傳統(tǒng)測量儀器存在的問題，從而得到廣泛的應用。比如，在粉塵多情況下對人引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對測量儀器腐蝕。此外該技術(shù)對被測元件無磨損，使測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，而且還降低了能量耗損，節(jié)省人力和勞動的強度。 超聲測距技術(shù)在各方面都將有很大的發(fā)展空間，他將朝著高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足嚴苛的測距需求，如研究具有高定位精度的被動測距聲吶，以滿足水中武器實施全隱蔽的需要，繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖拽線陣列聲吶，實現(xiàn)遠程得的被動探測和識別。研制更適合于淺海工作的潛艇聲吶，解決淺海中目標識別的問題。然而超聲波測距在實際應用也有很多局限性。由于超聲波在傳播過程中，聲壓會隨距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減，遠目標的回波信號幅度小、信噪比低，用固定閥值的比較器檢測回波，可能導致越過門檻的時間前后移動，從而影響計時的準確性，這必然會影響到測距的準確度。另外就是構(gòu)成超聲波傳感器的壓電陶瓷片在壓電的雙向轉(zhuǎn)換過程中，存在慣性、滯后等現(xiàn)象，以及超聲波脈沖在空氣中傳播本身及多重的反射路徑，均導致回波信號被展寬，也使測量產(chǎn)生較大的誤差，影響了測距的分辨率 [5]。其他如溫度，風速等也會對測量造成一定的影響 [10]?，F(xiàn)如今高速發(fā)展的科學技術(shù)和越來越智能化的社會生活來說，超聲波測量技術(shù)還需要不斷發(fā)展，來滿足社會進步的需要?，F(xiàn)階段的超聲波測距還沒有到達頂峰，還有很大的發(fā)展空間，而怎樣實現(xiàn)超聲波測量技術(shù)的更智能化，更實用性，是今后超聲波測量技術(shù)的發(fā)展方向。毋庸置疑，未來的超聲測距儀將與自動化智能化接軌，隨著其它相關(guān)的電子技術(shù)的發(fā)展，更高精度，特種狀況下的超聲測距儀將會開發(fā)出來。三、研究內(nèi)容及實驗方案： 1. 研究內(nèi)容(1）了解超聲波測距原理。(2）設計出利用超聲波測距離的硬件結(jié)構(gòu)電路。 (3）可以實現(xiàn)以數(shù)字形式顯示測量距離。2. 試驗方案圖 1 系統(tǒng)原理框圖2.1 試驗設備本系統(tǒng)包括以下幾個部分：以單片機 AT89C51 為核心，周圍電路包括顯示電路、超聲波發(fā)射電路 [6]、超聲波檢測接收電路、驅(qū)動電路等 [7]。 AT89C51 單片機內(nèi)含 4kB 的只讀程序存儲器 ROM（可反復擦寫，修改方便）及 128B的隨機存儲器 RAM[8]，對于只要求測量礦井內(nèi)部各部分距離的測距系統(tǒng)來說，存儲量足夠使用。由于 AT89C51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，因此能實現(xiàn)快速測量，而且使用相對方便。在編程方面，AT89C51 單片機即可按照常規(guī)方式進行編程，也可進行在線編程，且可反復擦洗的程序存儲器也能方便的進行程序修改，且比不可擦洗的存儲系統(tǒng)大大降低了其成本。2.2 系統(tǒng)工作原理(1) 超聲波測距原理 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。圖 2 超聲波測距板原理圖 由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×T (1.1) 式中 L 為測量的距離長度；C 為超聲波在空氣中的傳播速度；T 為測量距離傳播的時間差(T 為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半) [9][10]。 超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段 [11]]。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，所以通過一些誤差分析，根據(jù)誤差產(chǎn)生原因做出相應的補償就能提高測量的精度。如溫度對聲速的影響，時間測量的精度等。(2) 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。其中溫度影響為：01273cc???????????????? 近似公式為： C=C0+0.607×θ (1.2) 式中，C0 為零度時的聲波速度 332m/s，θ 為實時溫度。四、目標、主要特色及工作進度1. 研究目標根據(jù)所了解的單片機知識，和超聲相關(guān)的基礎(chǔ)知識設計出一個能正常工作的超聲測測距裝置，并且控制好一起的測量精度，和穩(wěn)定性。了解使用不同型號的芯片對測距儀器整體的影響。2. 主要特色（1）超聲波發(fā)射與接收電路的設計：是選擇使用施密特振蕩器和數(shù)字功率放大電路的方案還是選擇使用 555 多諧振蕩器和數(shù)字功率放大器作為發(fā)射裝置、回波放大接收電路及比較電路作為接收裝置的方案。（2）直接將測量結(jié)果傳遞到 LCD 顯示單元。（3）顯示電路選擇什么樣的反向驅(qū)動器驅(qū)動 PC 口作為 LCD 的位選控制口來提高其顯示亮度，（4）整個裝置的造價便宜，原理簡單，用途較廣。3. 工作進度20xx.3.09～20xx.4.10 查閱資料，對課程設計進行初步規(guī)劃,整理資料 。20xx.4.11～20xx.4.19 查閱外文資料，翻譯論文和撰寫開題報告，購買 設計使用的器材。20xx.4.20～20xx.4.30 對所選擇的單片機系統(tǒng)進行學習和認知，以進行下一步設計，設計測量系統(tǒng),并畫出其結(jié)構(gòu)圖。20xx.5.04～20xx.5.15 將電子零部件焊接好調(diào)試儀器的性能。20xx.5.16～20xx.5.31 對測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)校驗,完善測量系統(tǒng)。20xx.6.01～20xx.6.26 撰寫畢業(yè)論文,準備答辯，畢業(yè)答辯。5、參考文獻[1] 韓贊東.超聲定位技術(shù)在汽車安全預警系統(tǒng)中的應用[J] .測控技術(shù), 2002, 13(8): 45~46.[2] 超聲波探傷編寫組. 超聲波探傷[M]. 電力工業(yè)出版社 , 1980.[3] 李麗霞.單片機在超聲波測距中的應用電子技術(shù)[J]．電子工業(yè) , 2002, 9(6): 36~38.[4] 周潤景等.Proteus 在 MCS-51&ARM7 系統(tǒng)中的應用百例[M].電子工業(yè)出版社,2006.[5] BIRD C.Quality control of friction stir welds by the application of non-destructive testing[C]. 4th International Symposium on Friction Stir Welding,4th International Symposium on Friction Stir Welding, california of USA,2003,2003:39~42.[6] 童詩白 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版. 高等教育出版社 ,2006.[7] 楊自棟.簡易超聲波測距儀的軟硬件設計[M]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程出版社 ,2005.[8] 鄭初華. 匯編語言微機原理及接口技術(shù)[M].第二版. 南昌：電子工業(yè)出版社,2010. 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