超声波测距仪实时显示声光报警汇总Word文件下载.docx
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本设计作品基本满足设计的要求,有一定的推广性,同时针对不足,如测量距离过小等,文章在最后提出了一些改进性能的可行性方案。
关键字:
单片机;
传感器;
超声波测距;
温度补偿
Abstract
robotthroughitsperceptionsystemtodetectobstaclesthatinfrontoftheroadandthesurroundingenvironmenttoachievethedistancearoundthebarrier,autohunt,rangeandotherfunctions.UltrasonicRangingintermstootherrangingtechnologyislow-cost,highaccuracy,withoutenvironmentalconstraints,andconvenient,itwillbecombinedtogetherwithinfraredsensorsachieverobothuntaroundthebarrierfunction.
ThisarticledescribestheultrasonicrangingsystembasedonSTC89C51,whichelaborateultrasonicRangingSystemhardwaredesign,softwaredesignanditsworkingprinciple.Thedesignismainlycontrolledbythemicrocontrollermodule,LEDdisplaymodule,DS18B20temperaturecompensationmodule,aswellassoundandlightalarmmoduleconstitute.Usingtheprincipleofreflectionoftheultrasonicwave,Calculatetheultrasonicpropagationtimeintheairinhalfandthenmultipliedbythespeedafterthecorrectionofthetemperaturecompensationthatcanbedrawnbetweentheobstacletothesensordistance,Anddigitaldisplay.Secondly,thesoundandlightalarmwhenthesystemmeasuringdistancelessthan10cm.ThesystemhasanAdvantageofSimplehardwarecircuit,lowcost,reliable,lowpowerconsumption,smallsize,theerrorissmall,haveagoodmeasurementaccuracy,etc..
Atpresent,theultrasoniccleaningtechnology,radartechnologyinmedicine,themilitaryoccupiesanimportantposition,sotheresearchultrasoundtechnologyhasacertainsignificance.Thisdesignworksbasicallymeetthedesignrequirements,therearecertainpromotional,whilefordeficiencies,suchasmeasuringthedistanceistoosmall,etc.,thearticleconcludeswithanumberofimprovementsintheperformanceofthefeasibilityoftheprogram.
KeyWords:
MCU;
Sensor;
UltrasonicRanging;
Temperaturecompensation
第一章绪论
超声波以其指向性好、穿透能力强、能量消耗缓慢、环境污染小等优点,因而超声波常用于距离测量。
利用超声波检测往往比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制,且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
其中,超声波技术首先在欧美兴起并日趋成熟,我国在超声波技术的研究上相对迟缓,但近十年在超声波上的成就也有很大的突破。
本章主要介绍超声波测距的研究背景、超声波技术在国内外的发展现状、研究目的和意义以及本章的研究内容,最后在本章末尾还介绍了本论文的章节安排。
1.1课题的研究背景
超声波是频率高于20KHZ的声波,它的方向性好,穿透能力强,容易获得较集中的声能,在水中传播的距离远,因而超声波常用于距离测量,在医学、军事、工业、农业等诸多领域中有广泛的应用。
例如:
立体超声显象、雷达、工业自动化控制、超声的空化作用等。
超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如:
液位、井深、管道长度等场合。
目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专用集成电路的成本高,并且没有显示,操作使用不方便。
超声波可用于非接触测量,具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰等优点,是通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间来测量距离的,对被测目标无损害,而且超声波的传播速度在相当大范围内与频率无关。
超声波的这些独特优点逐渐受到人们的重视。
超声波传感器根据结构的不同可以分为压电式、电磁式、磁致伸缩式等,超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
超声波是指频率高于20kHz的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
在户外使用传感器的设备中,如果要求精度较高,则需要超声波技术有良好的抑制噪音的能力,能区别噪音和反射信号。
如果多个超声波传感器同时工作,则要同时兼顾计算机处理速度和防止传感器之间的干扰。
采用模式编码声呐[12]就能很好地解决这个问题。
由于超声波在空气中的传播速度受温度的影响,速度随温度的变化而变化,温度每变化一度,超声波速度变化0.6m/s,近似公式为:
C=C0+0.607×
T,式中:
C0为零度时的超声波速度331.5m/s,T为实际温度(℃):
[2]
表1.1列出了超声波在不同温度下的传播速度。
在使用过程中,如果精度要求不高,则可以认为传播速度不变。
但如果要求精度高,则需要增加温度补偿电路,以达到所需精度要求。
表1.1不同温度下超声波声速表[2]
温度(℃)
-30
-20
-10
10
20
30
100
速度(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
一般情况下,为了适应不同温度下的工作要求,用软件进行温度补偿的公式为
C=331.5+0.607T
(1)
其中C为校正后的速度,T为当时检测的温度。
校正后的速度如表1.2所示,校正后的速度最大误差不超过5%。
表1.2补偿后声速与温度的关系[2]
温度/℃
声速/(m/s)
331
337
343
381
超声波的特点:
①超声波在不同介质中的传播速度不同;
②超声波通过两种或两种以上的介质时会产生反射和折射的现象;
③超声波在空气中的传播有较大的衰减,尤其是频率较大时衰减更大,因此在空气中传播时采用频率较低的超声波,一般采用频率为几十千赫兹的超声波,典型应用频率为40KHZ;
④超声波的频率比音频高,所以超声波不易被环境中的噪音所干扰。
本课题要求利用单片机设计一个低成本、高精度、微型化的数字显示声光报警的超声波测距仪,本文所述的超声波测距系统主要由声波发射模块,回波接收模块、基于AT89C51的控制模块、温度检测模块、报警模块以及显示模块。
具有灵活性强,可靠性高,计算简单,易于做到实时控制等优点。
1.2超声波在国内外的发展现状
从19世纪末到20世纪初,人类在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们终于解决了利用电子学技术产生超声波的方法,从此迅速推动了超声波技术的发展。
1922年,首例超声波治疗的发明专利出现在德国。
1939年发表了关于超声波治疗在临床取得效果的文献报道。
40年代末期超声治疗在欧美兴起,直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了有关超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展与应用奠定了基础。
在1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多关于超声波的论文发表,超声治疗进入实用成熟阶段。
国内在超声治疗领域起步比欧美晚,到20世纪50年代初才只有少数医院开展超声治疗的工作,从1950年北京首先开始用800KHZ频率的超声治疗机治疗多种疾病,到50年代开始逐渐推广,并有了国产仪器。
公开的文献报道始见于1957年,到70年代有了各型国产超声治疗仪,超声治疗法普及到全国各大型医院。
40多年来,全国各大医院已积累了相当丰厚的资料和比较丰富的临床经验。
特别是在20世纪80年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,这是结石症治疗史上的重大突破,如今已在国际范围内推广应用。
高强度聚焦超声无创外科,已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置,而在21世纪(HIFU)超声聚焦外科已被誉为是21世纪治疗肿瘤的最新技术。
1.3研究目的和意义
超声波既是一种波动形式,同时又是一种能量形式,当其强度超过一定值时,它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用,去影响、改变以致破坏后者的状态、性质及结构用作治疗。
超声波技术在医学、军事、化工等行业占据着重要的地位,研究超声波测距技术有着非常重要的意义。
目前对于超声波精确测距的需求也越来越大,例如油库和水箱液面的精确测量和控制,物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。
在机械制造,电子冶金,航海,航空,石油化工,交通运输等工业领域也有广泛地应用。
此外
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