毕业设计论文基于数模电的超声波测距系统设计

1、超声波测距系统设计摘要：本设计是基于模拟电路和数字电路的逻辑计算，从而实现对前方物体距离的测量。超声波指向性强，传播过程中衰减小，在介质中传播距离较远。所以，在利用传感技术和自动技术组合的测距方案中，超声波测距是目前应用比较广泛的一种，它大量地应用于防盗、倒车雷达、水位测量和工业现场。利用超声波传感器对前方物体进行感应后，通过相关电路对超声波传感器发射和接收到的信号进行逻辑分析和计算，最后将计算的结果显示在显示器上。超声波测距系统是根据超声波在介质中传播的反射原理，以超声波传感器为基础，应用数字芯片对超声波在介质中传播的时间进行计算，以此计算出超声波在介质中传播的距离，从而设计了一套超声波测距系统。该系统主要设计了超声波发射模块，超声波接收模块，滤波模块，计时模块，距离测量模块，显示模块等六个模块。论文中的设计是通过超声波传感器由发射模块发射超声波，接收模块接收到回波，通过计算后得到系统与前方物体之间的距离。关键词：超声波； 数字电路； 测距Ultrasonic Ranging SystemAbstract：The design is calculated based on digit

2、al logic circuit to realize the measurement of the distance in front of the object. Ultrasonic point to strong attenuation during transmission, the transmission distance in the medium is far. Therefore, in the use of sensor technology and automated technology portfolio ranging program, ultrasonic ranging is a broader application, it applied a lot of security, parking sensor, water level measurement and industrial scene.Using ultrasonic sensors on the front of the sensing objects, through the rel

3、evant circuit transmitting and receiving ultrasonic sensor signals to logical analysis and calculation, the final results of the calculation shown on the display.Ultrasonic ranging system is based on ultrasonic wave propagation in the medium reflection principle, the ultrasonic sensor, based on application of digital chips on ultrasonic propagation in the medium to calculate the time in order to calculate the ultrasonic wave propagation in the medium range, which is designed an ultrasonic rangin

4、g system.The system design of the ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module, filter module, timing module, the distance measuring module, display module.Paper was designed by the transmitter module through the ultrasonic sensor ultrasonic transmitter, receiver module receives the echo, obtained by calculating the system and the distance between the front of the object.Key words：Ultrasonic，Digital circuit，Ranging目 录第一章 绪 论11.1 概述11.2 超声波的特点21.3 超声波测距原理21.4 超声波传感器31.5 超声波测距领域历史和国内外

5、发展现状41.6 论文研究内容6第二章 系统设计准备72.1 超声波的衰减72.2 超声波的传播速度82.3 超声波传感器的选择92.4 发射脉冲波形102.5 测距系统的误差分析和修正112.6 超声波在空气中传播速度的补偿原理112.7 渡越时间测量误差的修正分析122.8 显示器件选择12第三章 超声波测距系统设计143.1 超声波发射模块143.2 超声波接收电路203.3 信号比较电路223.4 时间测量电路243.5 计数脉冲信号反生电路243.6 计数显示电路25第四章 仿真及调试314.1 时间测量电路314.2 计数脉冲信号反生电路31结 论35致 谢36参考文献37附 录39第一章 绪 论1.1 概述目前，超声波测距系统已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波测距系统可以探测海洋潜艇的方位、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物的形状及方位；利用超声波的传播时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物产生的反射波来确定物体内部损伤的位置以及状态，称之为无损探伤；利用超声波测距系统辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预定好的行进方向来完成任务。另外还有应用于液

6、面探测、矿井探测、汽车报警、物位的测量等相关领域。超声波测距系统主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业使用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用1-5。超声波测距系统虽然被大量应用于各种工业领域，但在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距系统共同工作的条件下会产生相互影响，另外测距的盲区比较大，这些固有的特点限制了其进一步广泛应用。在目前使用的超声波测距技术中，应用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脉冲回波检测法，其原理是通过传感器发射超声波，并接收从被测目标反射的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播速度，计算出超声波传感器于被测物体之间的距离。超声波测距系统的设计结构种类繁杂，性能差异也很大。目前市场上主流的超声波测距系统大多数是用单片机作为主控芯片，产生驱动信号，并且接收回波，控制通讯。但由于声波的传播速度会受到

7、温度及介质的不同而产生变化，对于高精度要求的测量，基于单片机的超声波测距系统就需要对单片机内部的程序参数进行重新设定，并下载到单片机内。这在复杂环境条件下是很大的难题，因此基于模拟电路和数字电路的超声波测距系统对比单片机系统有着相当大的优势，它可以通过在逻辑计算电路中增加可调电阻的方式对参数进行调整。1.2 超声波的特点当物体产生震动后会通过介质产生声波。声波每秒振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹。人耳能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的频率小于20赫兹或20000赫兹时，人便听不见声音了。因此，人们把频率高于20000赫兹的声波称作“超声波”6。超声波和可以听到的声波本质上都是机械震动，都是以纵波的方式在介质中传播，但超声波的频率更高，波长更短。超声波在介质中产生机械振荡，传播速度不及光波，但其纵向分辨率较高。超声波对周围环境中的色彩，光强，光线和电磁波不敏感，对于处于复杂环境的被测物如黑暗，电磁干扰，有毒等恶劣环境下超声波基本不受环境的影响可以正常工作。超声波在介质中能量消耗较小，可以传播更远的距离，声波的传播速度不受频率的影响，所以军事，工业，科技等很多方面都选择超声

8、波测距系统并大量的运用7-8。1.3 超声波测距原理超声波测距的方法有很多，例如相位检测，声波幅值和渡越时间等检测方法。这几种检测方法各有优缺点，相位检测法相对其他方法精度高，但是检测范围较小，不能应用与长距离检测，声波幅值检测法对反射波要求较高。所以通常条件下渡越时间检测方法是最为常用的超声波测距方法，在超声波检测技术中，最主要的是利用了超声波反射、折射、衰减等物理特征来实现检验。渡越时间检测法基本的工作原理是：超声波换能器由脉冲信号产生超声波，通过介质传播到被测物体，形成反射波；超声波传感器检测到反射波，并由传感器把声波信号转换为电信号，再通过逻辑计算出超声波在介质中传播的距离，利用公式： （1.1）就可以确定超声波检测设备到前方物体之间的距离。超声波传感器又分为自发自收传感器和只有单独的发射或接收功能的传感器。本文采用的是一发一收的双传感器的设计，传播介质为空气9-10，超声波测距原理如图1-1。图1-1 超声波测距原理图渡越时间测量法：（1） 直接计数法发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时开始计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻时停止计时，计时这段时间就是渡越时间。（2） 相位

9、法发射装置发射出一定频率的正弦波，发出的声波到达障碍物后产生反射波，接收端收到反射波，经过放大电路放大，再与发射装置的驱动电压进行比较，测出两个正弦电压的相位差，跟据相位差就可测出距离。本设计采用了直接计数法，这种方法有点在于原理简单适用，电路成本较低。而测距精度方面也不逊于其他两种测量方法。1.4 超声波传感器超声波换能器又称超声波传感器有很多种类，在产生超声波的方式这方面来讲，超声波换能器大致分为两类：一类是用电器方法产生超声波。电气方法是指通过压电、磁场和电动等方式产生超声波。另一类是采用机械振动的方式来产生超声波。这两种方法产生的超声波的频率、功率和声波特征各不相同，因此适用于不同的用途。目前较为常见的是压电式超声波换能器。压电式超声波换能器主要结构是压电片，既可以发射超声波又可以接收超声波。其内部结构如图1-2。1-2 压电超声波换能器内部结构原理图压电式超声波换能器有许多结构，例如压电片内部质点的震动方向垂直与晶片平面，那么晶片就是向外发射超声波。超声波在介质中传播可以有不同的形式，取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有以下四种：纵波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，超声波就是纵波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。横波型：当介质中质点的振动方向与超声波垂直时，超声波就是横波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形。当其中剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。

《毕业设计论文基于数模电的超声波测距系统设计》由会员大米分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于数模电的超声波测距系统设计》请在金锄头文库上搜索。