超声波测距仪设计开发.docx
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超声波测距仪设计开发
编号:
审定成绩:
重庆邮电大学
毕业设计(论文)
设计(论文)题目:
超声波测距仪设计开发
学院名称:
自动化
学生姓名:
专业:
自动化
班级:
0810901
学号:
2009214827
指导教师:
答辩组负责人:
填表时间:
二○一三年五月
重庆邮电大学教务处制
摘要
随着社会的发展,人们对距离测量精度以及测距工具附加功能多样性的要求越来越高。
在社会生活中,超声波的应用无处不在,如汽车雷达倒车系统、管道长度测量、物位测量等。
由于超声波具有指向性强,能量消耗慢,在介质中传播距离远,因而超声波技术的研究与开发,具有现实意义。
本文介绍了一种利用超声波测距的系统。
该系统是一种基于STC89C52单片机的超声波测距系统。
它根据超声波在空气中传播遇到被测物反射的原理,通过计算传播的时间来确定距离。
该系统由超声波传感器模块作为超声波发生器和接收器,主控制器模块进行数据的处理,显示模块实时显示被测距离,按键模块实现测距系统的一些附加功能。
该超声波测距系统测距范围为2cm—3m,具有测量准确,精度高,显示数据及时的特点,并能锁定当前值,查询历史值。
能广泛运用到工厂里,模具制作成型后方便及时校验模具,具有一定的实用性。
【关键词】超声波测距单片机
ABSTRACT
Withthedevelopmentofsociety,peoplerequiremoreformeasurementaccuracyanddistancemeterwithmultiplefunctions.Insociallife,theuseofultrasoniciseverywhere,forexample,theautoreversingsystem,themeasurementofthelengthofpipe,themeasurementofpositionandsoon.Theultrasonichavesomecharacteristicsofpowerfuldirectivity,lowenergy-loss,longpropagationdistanceinthemedium,soultrasoundtechnologyresearchanddevelopmenthastherealisticmeaning.
Thispaperintroducesakindofultrasonicrangingsystem.ThisultrasonicrangingsystembasedonaSCM(SingleChipMicrocomputer)ofSTC89C52.Itaccordingtothespreadofultrasoundintheairmeetingsomethingthenreflecting,anditmeasuresdistancebycountingthetraveltime.Thissystemconsistsofultrasonicsensormoduleastheultrasonicgeneratorandreceiver,maincontrollermodulefordataprocessing,displaymoduledisplayingthedistancebeingmeasured,keysmoduleforsomeadditionalfunction.Thisultrasonicrangingsystem’sdistancemeasuringrangeis2cmto3m,andithascharacteristicsofaccuratemeasurement,highprecision,andthedatadisplayingintime,anditcanlockinthecurrentvalueandqueryhistoricalvalue.Itcanbewidelyappliedinfactory,anditchecksamoldaftermakingthemoldconveniently,soitiscertainlypractical.
【Keywords】ultrasonicdistancemeasurementSCM
前言
超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。
近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。
随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。
超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。
超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。
正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。
一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。
由于超声波测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色等的影响,较其它仪器更卫生,更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境,具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同环境中进行距离准确度在线标定,可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制,可进行差值设定,直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
因此,超声波在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,因此可以广泛运用在工厂对模具经行校验的过程中,因此超声波测距在精确实时测量的研究上得到了广泛应用。
超声波测距原理是发射器发出的超声波以速度v在空气中传播,在到达被测物体时被反射返回,由接收器接收,其往返时间为t,由s=v*t/2即可算出被测物体的距离。
由于超声波也是一种声波,其声速v与温度有关,下表列出了几种不同温度下的声速。
在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
考虑到该系统应用场合不具特殊性,因此速度v选择常温下的速度344m/s。
表1.1超声波波速与温度的关系表
温度(℃)
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速(m/s)
313
319
325
323
338
344
349
386
第一章超声波测距系统工作原理
第一节超声波概述
声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象,人们对声音早有认识,在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。
在科学史上,声学是发展最早的学科之一。
然而,由于超声是人耳听不到的信号,直到18世纪,人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时,才推测自然界存在超声波。
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。
根据声波振动频率的范围,可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。
当声的频率高到超过人耳的频率极限时,人们就觉察不出声的存在,我们称这种高频率的声为超声。
频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波,称为超声波,或称超声。
超声波在介质中传输的速度即介质的声速。
它是一秒钟超声波等相位面通过的距离,与介质的密度和弹性性质有关。
对于液体介质,只能传播纵波。
声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。
声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。
如在常温下,空气中的声速约为344m/s,在水中的声速约为1440m/s,而在钢铁中约为5000m/s。
除水以外,大部分液体的声速随温度的升高而增加。
流体中的声速随压力的增加而增加。
声速与介质的许多特性有关,有的关系非常直接,可有精确的理论公式,有的关系比较间接而复杂,但在特定条件下,也可建立一些经验公式,例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等,都可以与声速建立一定关系,这样就可以通过声速来测定这些特性参数。
由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化,因此出现了超声温度计和超声流量计等。
在声速已知的介质中,可以利用身波传播距离L和传播时间t的关系L=vt,进行超声测距,超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。
声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质,在两个介质的分界面上一部分超声波被反射,另一部分透射过界面,在另一种介质内部继续传播。
这样的两种情况称之为声波的反射和折射。
由物理学可知,当波在界面上产生反射时,入射角的正弦之比等于波速之比,当入射波和反射波的波型相同时,波速相同,入射角度等于反射角。
当波在界面处生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比。
超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化,取决于这两种介质的声阻抗之比。
声阻抗定义为传声介质的密度ρ与声速c的乘积,用Z表示。
它是介质固有的一个常数,它的数值对超声波在介质中的传播非常重要,单位为瑞利(rayl)。
超声波在弹性介质中传播时,会发生能量的衰减,其产生原因可分为三个方面:
①由于波前的扩展而产生的能量损失;
②超声波在介质中的散射而产生的能量损失,即散射衰减;
③由于介质内耗所产生的吸收衰减。
第二节超声波传感器简介
一、压电式超声波传感器
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。
反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。
目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛,本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。
常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等,压电效应包括正压电效应和逆压电效应[3]。
逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中,由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化,这种位置变化在宏观上表现为产生了形变,形变与电场强度成正比。
如电场反向,则形变亦相反。
这一现象称为逆压电效应。
利用逆压电效应能产生超声波。
将适当的交变电信号施加到晶体上,晶体将发生交替的压缩和拉伸,因而产生振动,振动频率与交变电压的频率相同,若把晶体耦合到弹性介质中,晶体将充当一个超声源的作用,超声波将被辐射到那种介质中。
正压电效应是指当对某电介质施加应力时,产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化,在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷,其电荷密度与应力成正比,这种效应称为正压电效应。
利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能,并用来接受超声波的装置,称为接收换能器。
1、超声波传感器频率特性
图1.1是超声波的频率特性曲线。
图中,f0为超声波发射器的中心频率,在f0处,超声波发射器产生的超声机械波最强,也就是说,在f0处所产生的超声波声压能级最高。
而在f0两测,声压能级迅速减小。
因此,超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的f0的交流电压来激励。
由图1.1知,f0为中心频率,曲线在f0处最尖锐,输出电信号的幅度最大,信号f0处接收灵敏度最高。
因此超声波接收器具有很好的频率选择特性,在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。
另外,超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系,如果R很大,(如大于100K)频率特性是尖锐共振的,并且在这个共振频率上灵敏度很高。
如果R较小,(如小于10K)频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽,同时灵敏度也随着降低。
并且最大灵敏度向着稍低的频率移动。
因此,超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用,才能有较高的接收灵敏度。
图1.1超声波发射传感器的发射频率特性
2、超声波传感器指向特性
实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片,可以把表面上每个点看成1个振荡源,辐射出一个半球面波(子波),这些子波没有指向性。
但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果(衍射),却有指向性。
指向特性用指向图表示。
下图1.2就是超声波传感器的指向图。
超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成,其物理意义是Ф=0声压最大,角度逐渐增大时,声压减小。
超声波传感器的指向角一般为40度~80度[5]。
超声波传感器指向特性图如图1.2所示。
图1.2超声波传感器指向特性图
第三节超声波传感器原理
一、测距原理
超声波测距的方法有多种,如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。
相位检测法虽然精度高,但检测范围有限;声波幅值检测法易受反射波的影响。
本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法,其原理为:
检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体),经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。
往返时间与气体介质中的声速相乘,就是声波传输的距离。
而所测距离是声波传输距离的一半,即公式(1.3.1),
L=vt/2(1.3.1)
在上式中,L为待测距离,v为超声波的声速,t为往返时间。
若要求测距误差小于0.lm,已知声速v=344m/s(20℃时)。
显然,直接用秒表测时间是不现实的。
因此,实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。
二、超声波测量中盲区及近限和远限
用往返时间检测法测量距离时,障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近,存在着距离测量的近限和远限[1]。
距离过远时,接收到的信号太弱,以致无法从噪声信号中分辨出来,这是远限存在的原因。
在距离过近时,接收信号将落进盲区中而无法分辨出来,这是近限所以存在的原因。
在使用一个探头同时充当发射和接收的情况下,由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上,虽然发射信号只维持一个极短的时间,但停止施加发射信号后,探头上还存在一定的余振,因此在一段较长的时间内,加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的,可以达到限幅电路,引起探头振动,不能进行正确的测量,同时,探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小,即使是离探头较近处的液面反射信号也达不到限幅电路的限幅电平。
当液面离探头越来越远时,接收信号与发射信号相隔时间越来越长,其幅值相应的越来越小。
同时,接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多。
为了保证一定的信噪比,接收信号需要规定一个值,接收信号必须大于这个值,才能有输出信号。
这就构成了远限的问题。
在使用一个探头的情况下,发射信号的幅值要维持到低于引起探头振动时,接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能够明显地分辨出来。
所以把这段时间规定为盲区时间。
当开始计时,测量超声波在空气中的传播时间才有效。
但是,当探测距离很远时,为了增大发射功率,须采用特殊形式的大功率超声发射传感器,但这些传感器的接收灵敏度一般很低,甚至无法用于接收,在这种情况下,选用两个换能器分别用于发送和接收。
而使用双探头方式,不仅可以增加探测距离,还可以减小盲区。
由于发射探头上并不直接施加发射电压,所以,从理论上说,可以没有盲区。
但是,由于接收电路多少会受到发射电路的感应,并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头,因此实际上仍存在一定的盲区,不过它要比单探头方式的盲区小很多。
所以,在本实验中,我们选取了双探头的工作方式,减小盲区,同时提高检测的距离精度。
三、提高测距仪的措施
1、声速校正
要想通过测量超声波传播时间确定距离,声速c必须恒定,实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。
一般情况下,由于大气压力变化很小,因此传播速度主要考虑温度的影响。
对一定介质,通常采用对温度进行修正的方法,可以测得比较准确的距离。
通过对温度修正来校正声速的方法,即用测温元件测量实际环境。
2、减小盲区
减小盲区可以压缩发射脉冲宽度,发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲,可使余震(拖尾)减少,此法常用于短距离测量距离。
另外采用自动距离增益控制功能的接收放大器,使近距离的增益很小,远距离时的增益较大,这样一方面发射信号的余震幅度变小,相应的延续时间缩短,可以分辨出近处的接受回波信号,故可使盲区减少[2]。
另一方面,可使远处的回波信号的幅度增大,以提高测量的精度。
再次,超声波测距仪都有确定的量程。
量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阐值。
这个阂值决定信噪比。
噪声有两类,一类电噪声,在处理上同其它电子仪器一样,另一类为机械噪声,其中工业噪声频率较低,对液介式超声测距仪,工作频率较高,可以避开工业噪声频谱段。
而气介式超声回波测距仪,一般频率都较低,易引入工业噪声。
这时要求对环境噪声进行频谱分析,尽量避免与噪声频率重叠。
第四节超声波测距仪系统设计
一、论文设计内容
超声波测距仪开发设计论文将包括超声波测距系统工作原理,系统硬件设计,系统软件设计以及超声波测距仪误差统计与分析。
前言。
介绍了超声波测距仪所应用领域之广,以及本次设计所应用的工厂模具校正测量。
指出了论文研究的基础、现实意义。
并大致介绍论文研究内容及其结构。
第一章,超声波测距系统工作原理。
首先介绍了超声波的基本概念,然后介绍了超声波传感器,重点是压电式传感器。
最后介绍了超声波传感器测距仪的测距原理,以及影响测距误差的因素。
第二章,系统硬件设计。
论文首先介绍了硬件设计的总体思路。
然后分别着重介绍了单片机、显示电路、测距模块、按键电路、下载电路这几个主要硬件的功能与应用。
第三章。
系统软件设计。
论文首先介绍了软件设计的总体思路。
然后分别从主程序、测距子程序、按键程序、显示程序对硬件功能的实现进行介绍。
第四章。
超声波测距的误差分析。
论文首先客观的记录了本次超声波测距仪的测量结果,然后对测量结果经行了细致的分析,最后提出了减小误差的方法和措施。
二、硬件设计内容
硬件设计上考虑到制作成本以及锻炼自己的动手能力,选用万用板自己焊接电路,但是由于自己考虑不够周全,硬件电路期间布局设计上造成跳线过多,设计外观不够美观。
而且在最初设计上考虑到为了实现掉电保存数据功能,电路板上焊接了AT24C02芯片,但是在最后软件设计时,并没使用到这个芯片。
电路板上还设计了复位电路,但是在调试过程中,由于功能都能满足而且效果较好,使得复位电路变得多余了。
总之硬件设计上,功能完美实现,但是在最初整体布局规划上做的不够完善。
第五节本章小结
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。
实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计;一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式,适用于测距仪。
此次设计采用反射波方式。
由于此次设计为短距离测量,为了提高分辨率,减小误差,故使用频率高的传感器。
为了减少盲区,超声波发生器与超声波接收器尽量缩小间距。
第二章系统硬件设计
第一节电路原理设计
一、设计总体思路
主要由单片机系统,显示电路,超声波发射电路和超声波接收电路,按键电路四部分组成。
利用单片机来实现对超声波传感器模块的控制,并且由定时器计算超声波传感器模块所返回的高电平持续时间,通过转换得出传感器与障碍物之间的距离。
单片机及时将所测距离通过显示电路显示出来。
按键电路提供了必要的附加功能[8]。
结构框图如图2.1所示。
图2.1超声波测距系统结构框图
第二节主要元器件介绍
一、单片机STC89C52
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选[4]。
如图2.2.1所示。
图2.2.1STC89C52单片机
1、工作参数
①增强型8051单片机,6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051;
②工作电压:
5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机);
工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可③达48MHz;
④用户应用程序空间为8K字节;
⑤片上集成512字节RAM;
⑥通用I/O口(32个),复位后为:
P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻;
⑦ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片;
⑧具有EEPROM功能;
⑨共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2;
⑩外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒[7]。
2、引脚说明
如图2.2.2所示。
①P0:
显示电路数据接口;
②P2.5-P2.7:
LCD1602寄存器选择信号线、读写信号线、使能信号线;
③P1.2-P1.6:
按键电路;
④P2.0:
超声波传感器HC-SR04信号返回线;
⑤P2.1:
超声波传感器HC-SR04启动信号线;
⑥P3.0-P3.1:
MAX232串口信号线;
⑦P1.4:
存入当前距离值;
⑧P1.5:
查询已存历史距离值;
⑨XTAL1、XTAL2:
外部时钟信号线[5]。
图2.2.289C52引脚图
二、超声波传感器HC-SR04
HC-SR04超声波传感器模块可提供2cm-300cm的非接触式距离感测功能,测距精度可高达3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路[6]。
实物图如图2.2.3所示。
图2.2.3HC-SR04超声波模块实物图
1、HC-SR04主要参数
表2.2.1HC-SR04参数
2、HC-SR04内部结构与工作原理
该超声波传感器的内部结构及电路工作原理如图2.2.4和图2.2.5所示,该传感器主要包括两大部分:
发射电路和接收电路。
采用I/O触发测距,给至少10us的高电平信号,模块自动发送8个40kHz的方波,并自动检测是否有信号返回,当接收到回波时,通过I/O输出一高电平,高电平持续的时间t
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- 超声波 测距仪 设计 开发