基于超声波传感器的测距系统设计课程设计说明书
超声波测距器的设计说明书模板
超声波测距器的设计摘要用单片机控制超声波的发射，通过单片机记录和读取发射超声波和接收到的回波的时间差，进而计算出测量的距离。
文中详细论述了超声波测距的原理、测量电路和程序设计的方案。
关键词：超声波测距仪单片机目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ1前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.1 设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.2本设计的应用意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 2总体设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.1设计原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2.2总体设计框图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 3电路原理的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 3.1超声波传感器．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 3.2超声波发射电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 3.3超声波回波接收处理电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 3.4LED显示电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 3.5键盘电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 4软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 4.1超声波测距原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．124.1.1超声波脉冲法测距原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．204.1.2超声波信号测量．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21 4.2程序框架．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．174.3测距控制程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18 4.416Hz时基中断处理程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．194.6EXT1外部中断程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 4.7显示刷新程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 4.8主程序．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23 5系统调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．245.1硬件电路调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．245.2软件程序调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．255.2.1调试的主要方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．265.2.2调试中遇到的问题．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．275.3综合调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28 6 设计总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29 致．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30 参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31 附录A：超声波测距器电路原理图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32 附录B：程序清单．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．321 前言1．1 设计任务本设计实现超声波测距，要求测距围为100cm~500cm，用LED 数码管显示测量结果，以厘米为单位，精度为1 厘米；测量用按键触发：（1）开机时数码管显示000；（2）按下键盘则进行一次测量，并把测量结果显示在LED 数码管上。
超声波测距离课程设计
超声波测距离课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生了解超声波的基本概念，理解超声波测距的原理；2. 掌握超声波测距的公式及其在实际应用中的计算方法；3. 了解超声波测距仪器的构造、功能及使用方法。
技能目标：1. 培养学生动手操作超声波测距仪器的技能，能熟练进行距离测量；2. 培养学生运用物理知识解决实际问题的能力，能根据测量数据进行分析和计算；3. 培养学生通过团队合作，进行超声波测距实验的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理学科的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生严谨的科学态度，注重实验数据的准确性；3. 培养学生将物理知识应用于实际生活的意识，增强实践操作能力。
课程性质：本课程为物理学科实验课程，旨在让学生通过实际操作，深入理解超声波测距的原理和实际应用。
学生特点：学生具备一定的物理基础知识，对实验操作感兴趣，但可能对超声波相关知识较为陌生。
教学要求：注重理论与实践相结合，强调实验操作技能的培养，引导学生运用所学知识解决实际问题。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行教学设计和评估。
二、教学内容1. 理论知识：- 超声波基本概念及其传播特性；- 超声波测距原理及公式推导；- 超声波测距仪器的构造、功能及使用方法。
参考教材章节：第五章“声现象”第3节“超声波及其应用”。
2. 实践操作：- 超声波测距仪器的操作步骤；- 实际距离测量及数据记录；- 数据分析及计算方法。
3. 教学大纲安排：- 第一课时：导入超声波基本概念，讲解超声波传播特性，介绍测距原理；- 第二课时：推导超声波测距公式，讲解测距仪器的构造及使用方法；- 第三课时：分组进行实践操作，学生动手测量距离，记录数据；- 第四课时：分析测量数据，总结实验结果，讨论实际应用。
教学内容确保科学性和系统性，注重理论与实践相结合，使学生在掌握基础知识的同时，提高实践操作能力。
教学进度安排合理，确保学生充分消化吸收所学内容。
ad课程设计超声波测距
ad课程设计超声波测距一、教学目标本课程旨在通过学习超声波测距的相关知识，使学生掌握超声波测距的基本原理和实际应用，培养学生的实验操作能力和科学思维。
1.了解超声波的基本概念和特性。
2.掌握超声波测距的原理和方法。
3.了解超声波测距在实际应用中的广泛性。
4.能够运用超声波测距原理进行实际问题的解决。
5.能够操作超声波测距仪器进行实验。
6.能够分析实验数据并得出合理结论。
情感态度价值观目标：1.培养学生对科学的热爱和探索精神。
2.培养学生团结协作、积极思考的良好学习态度。
3.使学生认识到科学知识在实际生活中的重要性，提高学生对科学的应用意识。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括超声波的基本概念、超声波测距的原理、超声波测距的实际应用以及相关的实验操作。
1.超声波的基本概念：介绍超声波的定义、特性及其在自然界和生活中的应用。
2.超声波测距的原理：讲解超声波测距的物理原理，引导学生理解并掌握超声波测距的基本方法。
3.超声波测距的实际应用：介绍超声波测距在各行各业中的应用实例，让学生了解超声波测距技术的广泛性。
4.实验操作：安排实验室实践活动，让学生亲自动手操作超声波测距仪器，培养学生的实验技能。
三、教学方法为了提高学生的学习兴趣和主动性，本课程将采用多种教学方法相结合的方式进行教学。
1.讲授法：教师通过讲解超声波的基本概念、原理及实际应用，使学生掌握相关知识。
2.讨论法：学生进行小组讨论，分享学习心得，互相答疑解惑。
3.案例分析法：通过分析具体的超声波测距应用案例，使学生更好地理解超声波测距技术的实际应用。
4.实验法：安排实验室实践活动，让学生亲自动手操作，培养学生的实验能力和科学思维。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将选择和准备以下教学资源：1.教材：选用符合课程要求的超声波测距教材，为学生提供系统的学习资料。
2.参考书：推荐学生阅读相关的参考书籍，拓展知识面。
超声波传感器测距的教案
超声波传感器测距的教案教案一课题：超声波传感器测距教学目标：1. 让学生理解超声波传感器的工作原理和应用。
2. 学生能够掌握超声波传感器测距的方法和步骤。
3. 通过实验探究，培养学生的科学思维和实践能力。
4. 激发学生对科学技术的兴趣和探索精神。
教学重点与难点：- 教学重点：超声波传感器的工作原理和测距方法。
- 教学难点：理解超声波传播过程中的时间与距离的关系。
教学方法：实验探究法、小组合作法教学过程：一、导入新课展示一些利用超声波传感器的实际应用场景，如倒车雷达、自动门等，引导学生思考超声波是如何实现测距功能的。
二、新课讲授1. 讲解超声波的特性，如方向性好、穿透力强等。
2. 引出超声波传感器，结合实物介绍其结构和组成部分。
3. 阐述超声波传感器测距的原理：通过发射超声波并接收反射波，根据时间差计算距离。
三、实验探究1. 分组进行实验，每组一套超声波传感器实验装置。
2. 教师指导学生进行实验操作，包括连接电路、设置参数等。
对话示例：师：“同学们，现在大家开始分组进行实验，先检查一下实验装置是否齐全，然后按照步骤进行操作。
”生：“好的，老师。
”师：“在连接电路的时候要注意正负极哦，有不明白的随时问老师。
”3. 记录实验数据，如发射和接收的时间差。
四、数据分析与讨论1. 各小组汇报实验数据。
2. 共同分析数据，探讨影响测距精度的因素。
对话示例：师：“请各个小组把你们的实验数据分享一下。
”生：“我们这组测了几个不同距离的数据……”师：“大家一起来分析一下这些数据，看看能发现什么问题。
”五、知识拓展介绍超声波传感器在其他领域的应用，如工业自动化、医疗等。
六、总结归纳1. 回顾本节课的重点内容：超声波传感器的原理和测距方法。
2. 强调实验过程中的注意事项和科学态度。
教材分析：本节课的内容紧密结合实际应用，通过对超声波传感器的学习，使学生了解现代科技在日常生活中的应用。
教材内容循序渐进，从超声波的基本特性到传感器的工作原理，再到具体的测距方法，有利于学生逐步掌握知识。
超声波测距器课程设计
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误差分析：对测量结果的影响及误 差范围
实验与测试：通过实验数据验证误 差分析及优化效果
总结与展望
课程设计总结
超声波测距原理： 介绍了超声波测距 的基本原理和实现 方法。
系统设计：详细阐述 了超声波测距器的系 统设计，包括硬件和 软件的设计方案。
实验结果：展示了实 验数据和结果，验证 了超声波测距器的准 确性和可靠性。
测试方案与步骤
测试环境搭建：确保 测试环境符合要求， 包括超声波测距器、 接收器、信号发生器 等设备的连接和调试。
据处理与分析：对 测试数据进行处理和 分析，评估超声波测 距器的性能和精度。
测试结果总结：根据 测试结果，对超声波 测距器的性能和精度 进行总结和评价。
信号转换：将模拟 信号转换为数字信 号，便于处理和传 输
显示模块设计
显示模块的作用：实时显示测量距 离和测量结果
显示模块的接口：与主控板相连， 接收主控板的信号并显示
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显示模块的组成：LED显示屏、驱 动芯片和排线
显示模块的设计要点：考虑显示效 果、功耗和稳定性等方面的要求
测试结果分析
测试环境：详细描述测试的环 境、设备、条件等
测试过程：简述测试的具体步 骤和操作流程
测试数据：记录和分析测试过 程中的各项数据和结果
结果分析：对测试数据进行分 析和解释，得出结论和经验教 训
误差分析与优化
误差来源：设备精度、环境因素、 操作不当等
优化方法：提高设备精度、改进测 量方法、加强操作规范等
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汇报人：
超声波测距器软 件设计
超声波测距器课程设计
时间差测量
记录超声波发射和接收的时间差， 结合声速计算出障碍物与测距器之 间的距离。
温度补偿
由于声速受温度影响，因此需要进 行温度测量并对声速进行补偿，以 提高测距精度。
传感器选择与特性分析
01
02
03
传感器类型
选择适合超声波测距的传 感器，如压电陶瓷换能器 ，具有高效率、宽频带、 耐磨损等特点。
04
电子技术基础
了解基本电子元器件和电路知 识。
编程语言基础
掌握C语言或Python等编程 语言。
单片机技术基础
了解单片机的基本原理和应用 。
实践动手能力
具备一定的焊接、调试和故障 排除能力。
02
超声波测距器原理及硬件组成
超声波测距原理
超声波发射与接收
利用压电陶瓷等换能器，将电能 转换为超声波发射出去，遇到障 碍物后反射回来，再被接收换能
处理。
03
控制与信号处理电路设计
采用微控制器或DSP等处理器实现时间差测量、温度补偿和距离计算等
功能。同时设计必要的接口电路以实现数据的输入/输出和调试等功能
。
03
软件编程与算法实现
主控芯片编程环境搭建
01
02
03
04
选择合适的开发板和主控芯片 ，如Arduino、STM32等。
安装相应的开发环境，如 Arduino IDE、Keil等。
系统性能评估指标及方法
1 2
测距精度评估
通过与实际距离进行比较，计算测距误差，评估 系统的测距精度。可以采用多次测量取平均值的 方法减小随机误差的影响。
响应时间评估
测量系统从发射超声波到接收到回波并计算出距 离所需的时间，评估系统的响应时间。
基于超声波传感器的测距系统设计课程设计说明书（可编辑）
基于超声波传感器的测距系统设计课程设计说明书课程设计说明书成绩题目基于超声波传感器的测距系统设计课程名称检测技术及系统课程设计1.课程设计应达到的目的通过对本课程的设计,使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术,了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理,通过对检测系统的设计与分析,增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。
2.课程设计题目及要求题目:基于超声波传感器的测距系统设计要求:(1)测距范围:0~200mm,测距精度:±1mm;(2)根据题意,明确测距系统性能指标及系统能完成的功能;(3)根据系统要求,选择合适的传感器;(4)设计传感器测量电路;(5)选择单片机的品种、型号,设计单片机的外围测量电路;(6)计算有关的电路参数,有条件的情况下,根据实验室现有设备进行实验数据的测取,明确测量电路输出与被测非电量的关系;(7)画出系统原理框图(此部分放在说明书的开始);(8)画出系统电路图,最好用PROTEL画;(9)在说明书中详细说明本系统工作原理。
3.课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕给出设计说明书一份;有条件的情况下尽量给出必要的实验数据;在说明书中附上完整的系统电路原理图(手画或用PROTEL画)。
4.主要参考文献李现明,吴皓编著.自动检测技术.北京:机械工业出版社,2009徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京:机械工业出版社.2001陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京:人民邮电出版社.20005.课程设计进度安排起止日期工作内容13年6月3日布置设计任务,熟悉课题,查找资料;13年6月4日结合测控对象,选择合适的传感器,理解传感器性能;13年6月5日做实验,设计传感器测量电路,选择合适的单片机,设计其外围电路;13年6月6日设计电路参数,有条件情况下,在实验室进行实验,进一步理解测量电路输入输出关系;13年6月7日继续设计论证电路参数,完善系统设计方案;13年6月8日查找资料,理解系统各部分工作原理;13年6月9日理清系统说明要点,着手设计说明书的书写;13年6月13日书写设计说明书,充分理解系统每一部分作用;13年6月14日上午完善设计说明书,准备设计答辩。
基于超声波传感器的测距系统设计
基于超声波传感器的测距系统设计超声波传感器是一种常见的无损检测技术，通过发送超声波并检测其反射信号，可以实现对物体距离的测量。
由于其具有穿透性强、检测速度快、适用于多种环境等优点，超声波传感器在工业、医疗、机器人等领域得到了广泛应用。
本文旨在设计一种基于超声波传感器的测距系统，以提高测距的精度和稳定性。
目前，基于超声波传感器的测距系统研究已经取得了一定的进展。
然而，这些研究仍存在一些不足之处，如测量精度不高、稳定性较差、对环境因素考虑不足等。
现有的技术方案大多针对特定场景进行优化，缺乏普适性和灵活性。
因此，本文将针对这些不足展开研究，以提高超声波传感器测距系统的性能。
本文提出了一种基于超声波传感器的测距系统设计技术方案。
该方案包括硬件和软件两个部分，具体如下：本文采用美国Cygnal公司生产的CSY4001型超声波传感器作为测距核心元件。
该传感器具有高灵敏度、低功耗、抗干扰能力强等优点，适合长时间稳定工作。
为了实现对超声波信号的采集和处理，本文选用了一块Arduino Uno板作为主控制器，通过编程实现对超声波信号的接收、处理和输出。
软件实现是整个系统的核心部分，主要包括以下几个步骤：（1）超声波信号的发射与接收：通过Arduino Uno板向超声波传感器发送触发信号，触发超声波传感器发送8个40kHz的脉冲信号，并接收反射回来的信号。
（2）信号处理：通过Arduino Uno板对接收到的信号进行处理，包括滤除噪声、计算往返时间等。
（3）距离计算：根据往返时间计算出物体距离，并通过串口输出距离值。
（4）算法优化：为了提高测距精度和稳定性，本文采用多次测量取平均值的方法，并对算法进行了优化。
具体来说，本文在每次测量时选取多个测量点，并对每个测量点的距离值进行排序和去噪处理，以得到更准确的距离值。
为了验证本文提出的技术方案的可行性和有效性，本文进行了一系列实验。
实验结果表明，本文设计的基于超声波传感器的测距系统在大部分场景下具有较高的测距精度和稳定性。
超声波测距课程设计
2.1
方案一：采用两节五号的干电池作为主控芯片的供电电源。此方案简单易行，但是此系统是处于长期工作状态对电量的消耗比较大。
方案二：采用汽车自带的汽车电瓶12V电源降压后供电。此方案较好的利用汽车自身能源，避免单独电源给防撞系统供电，可使系统长期安全不掉电工作。
方案三：采用集成稳压芯片7805，输出稳定的5V对整个系统供电。
1
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T。
方案二:LCD12864液晶，能显示汉字，字符，数字等，但是体积较为庞大，所占空间较大。
方案三:诺基亚5110液晶,该模块具有以下特点：
84x48的点阵LCD，可以显示4行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9条。支持多种串行通信协议（如AVR单片机的ＳＰI、MCU51的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。
方案三：FPGA系列芯片，FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个 新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB （Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑
超声波测距课程设计
超声波测距仪一、概述超声波测距学习板，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
要求测量范围在0.27~4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。
二、设计要求；1．使用超声波测距仪测量距离。
2．测量精度到达1cm。
3．更好地理解超声波传感器。
三、设计思路；首先利用单片机输出一个40KHZ的信号，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波接收器再通过一个解码器，当无信号返回时解码器输出高电平，当有信号返回时解码器输出低电平。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即：S=VT/2。
最后使用共阳7段数码管动态显示出测量距离。
四、硬件设计与实现；1、AT89S51单片机最小系统超声波测距仪首先必须输出一个40KHZ的信号，所以可以利用单片机最小系统，使其中1脚输出40KHZ的高低电平信号。
单片机的最小系统包括：时钟振荡电路、复位电路、电源电路、程序储存控制电路。
时钟振荡电路必须在XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容，晶体振荡器常用12M，电容用30pf；复位电路包括上电复位与按键复位，可利用电容充电与按下按键来实现复位功能,电容使用电解电容22uf，电阻1K。
程序储存控制由内部启动，所以直接接入5V高电平。
2. 超声波发射电路由于电片机输出的电流较小，远远不能启动超声波发射器，所以发射电路最主要的是需要1个驱动电路将40KHZ的信号输给T/R40超声波发射器。
常用3个反向器既可，可是由于自己对三极管驱动电路较为了解，用三极管的成本又较低，所以在刚开始选择了使用三极管驱动电路。
三极管使用9012的PNP管。
超声波测距毕业课程设计
软件算法流程与编程实现
主程序流程
初始化系统参数、启动测距流程、等 待用户输入、处理测距结果等。
02
超声波发射子程序
根据用户输入的测距指令，控制超声 波发射模块发射特定频率的超声波信 号。
01
数据处理子程序
对计算得到的距离结果进行数据处理 ，如去除异常值、求平均值等，以提 高测距精度和稳定性。
05
03
实验验证结果展示
实验条件
描述实验环境、使用的测量设备和样品等。
实验数据
展示原始测量数据和经过处理后的数据，可 以用表格或图表形式呈现。
误差分析
对实验数据进行统计分析，计算各类误差的 大小，并评估其对测量结果的影响。
结论
总结减小误差措施的效果，并讨论进一步改 进的可能性。
06 课程设计总结与展望
本次课程设计成果回顾
系统集成优化
改进系统结构设计和集成方式， 提高系统整体性能和可靠性；优 化电源管理和散热设计，确保系 统长时间稳定运行。
05 误差来源分析及减小误差 措施研究
误差来源识别与分类
01
系统误差
由于测量原理、仪器设计或环境 因素等引起的固定或规律性误差 。
随机误差
02
03
操作误差
由不可预测的随机因素（如环境 温度、湿度的微小变化）引起的 误差。
由于操作不当或测量条件不稳定 （如探头不稳定、耦合剂使用不 当）引起的误差。
减小误差方法论述
01
系统误差校正
02
通过理论计算或实验方法对系统进行校准。
采用更精确的测量标准和仪器。
03
减小误差方法论述
提高测量系统的信噪比。
采用多次测量取平均值的 方法。
超声波测距课程设计报告
课程设计说明书题目：超声波测距院（系）：电子工程与自动化专业：自动化学生姓名：卢朋朋学号： 0900320123指导教师：赵学军、龙超、李平2011 年 11 月 11 日摘要：在理解超声波测距原理的基础上，设计了基于AT89S52为核心控制器的超声波测距系统，考虑到温度对超声波传输速率的影响，用DS18B20温度传感器进行温度补偿。
用单片机产生40KZH去驱动压电传感器发射超声波，接收电路采用索尼公司集成芯片CX20106对回波进行处理。
LCD显示电路对数据进行实时显示。
关键字：超声波测距、AT89S52、温度补偿DS18B20、LCD显示电路，CX20106Abstract:ultrasonic ranging in understanding based on the theory of design as the core controller based on AT89S52 devices of ultrasonic ranging system, considering the temperature of ultrasonic transmission rate, the influence of the temperature sensor DS18B20 with temperature compensation. Produced by single chip 40 KZH to drive piezoelectric sensors emit ultrasonic receiving circuit using SONY CX20106 integrated chips to echo for processing. LCD display circuit for real-time data show.引言 (3)1 课程设计概述 (3)1.1 课程设计题目 (3)1.2 主要仪器设备 (3)2 设计原理 (3)2.1 超声波测距原理 (3)2.2 系统工作原理 (4)3 硬件设计 ........................................................................... 错误!未定义书签。
超声波测距课程设计报告书
河北联合大学2009级本科课程设计超声波测距仪姓名：任燕凯学院：电气工程学院专业：电气（1）学号： 10指导教师：刘丽萍2011年 12月电气工程学院课程设计评审表目录1 设计任务与要求 (2)1.1 基本功能 (2)1.2 扩展功能 (2)2 超声波测距设计原理 (2)3 电路设计 (2)3.1 显示部分设计 (2)3.2 发射部分设计 (3)3.3 接收部分设计 (5)3.4单片机最小系统 (5)4 程序设计 (6)参考资料 (7)超声波测距仪的设计1 设计任务与要求1.1 基本功能完成2米以内的距离测量并通过数码管显示1.2 扩展功能接收部分采用CX20106A红外接收芯片，使回波更容易被接收，使实验省去了繁琐的调试。
2 超声波测距仪设计原理超声波测距仪的总体框图如图1所示，主体电路完成超声波(40KHZ)的发射，接收及距离的显示。
图1 超声波测距仪总体框图3各部分的电路设计3.1显示部分3.1.1 74HC138译码器的工作原理（如真值表所示）表1 译码器器的真值表3.1.2 译码电路与显示电路的工作原理单片机控制段选，译码器控制位选，来完成显示部分3.2 发射部分3.2.1 波形的产生利用单片机的T2定时中断产生40KHZ的脉冲，通过软件产生的脉冲，频率比较准确，易于驱动超生波的发出。
3.2.2发射部分输出的 40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。
另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端。
可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联。
用以提高驱动能力。
上拉电阻 R10、R20一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力。
另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
3.3 接收部分使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。
其总放大增益80db。
电路如下图所示CX20106A的引脚注释。
超声波测距课程设计
超声波测距课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解超声波的基本概念，掌握超声波在空气中的传播速度和特性；2. 学会使用超声波传感器进行距离测量，理解测距原理；3. 掌握超声波测距的基本计算方法，能够分析测距误差产生的原因。
技能目标：1. 能够正确操作超声波测距仪器，进行距离的准确测量；2. 培养学生动手实践能力，学会组装和调试简单的超声波测距装置；3. 能够运用所学知识解决实际问题，设计简单的超声波测距应用方案。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理学科的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生的团队协作精神，学会与他人共同探究问题；3. 增强学生的环保意识，认识到科技在环保领域的应用价值。
课程性质：本课程属于物理学科，以实验和实践为主，注重培养学生的动手能力和实际应用能力。
学生特点：学生处于初中年级，具有一定的物理基础，对新鲜事物充满好奇心，喜欢动手实践。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，以实验为主，让学生在实践中掌握知识，提高技能。
同时，注重培养学生的团队协作能力和情感态度价值观。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际生活中，提高解决问题的能力。
二、教学内容1. 理论知识：- 超声波的定义、特性及其在空气中的传播速度；- 超声波测距原理，包括发射、接收和反射过程；- 测距误差分析，包括系统误差和随机误差；- 超声波传感器的工作原理和结构。
2. 实践操作：- 超声波测距仪器的使用方法，包括组装、调试和操作；- 实际距离测量，通过实验掌握超声波测距技术；- 测距数据的处理和分析，提高测距精度；- 设计简单的超声波测距应用方案，如停车场自动计费系统。
3. 教学大纲安排：- 第一课时：介绍超声波基本概念，学习测距原理；- 第二课时：学习超声波传感器结构，了解其在测距中的应用；- 第三课时：实践操作，学会使用超声波测距仪器进行距离测量；- 第四课时：分析测距误差，探讨提高测距精度的方法；- 第五课时：设计超声波测距应用方案，进行成果展示。
超声波测距系统设计(新图)
超声波测距系统设计1. 课程设计目的通过《传感器及检测技术》课程设计，使我们掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。
进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。
2. 内容及要求2.1 设计内容设计一个超声波测距系统，通过超声测距仪的原理是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。
通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。
基本的测距公式为：L=(△t/2)*C式中L——要测的距离T——发射波和反射波之间的时间间隔C——超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。
2.2 设计要求本次设计采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。
可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。
实现功能要求：(1) LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。
(2) 测量范围：30cm～200cm，(3) 误差＜0.5cm。
(4)确保系统的可靠性。
3．系统工作原理设计的整体框图如图1所示，主要由超声波发射，超声波接收与信号转换，按键显示电路与温度传感器电路组成。
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求出距离L=CT／2，式中的C为超声波波速。
在常温下，空气中的声速约为340m／s。
由于超声波也是一种声波，其传播速度C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
因为本系统测距精度要求很高，误差<0.5cm，所以通过对温度的检测对超声波的传播速度加以校正。
超声波传播速度确定后，只要测得超声波往返的时间，如图2所示，即可求得距离。
超声波测距课程设计说明书
教研室意见
答辩教师签名： 年月日
总成绩：
室主任签名： 年月日
摘要
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。 但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因 此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未 来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有 很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益 发展的社会需求。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接 轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进 步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具 有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。本次 设计的目的是学习电子工艺知识，识别与检测元器件，了解常用电子元 器件的规格、性能和选用，掌握锡焊技术，了解电子设备的安装接线工 艺和电子产品的制作，熟悉集成运算放大电路、集成稳压电源、常用集 成门电路、集成译码器、数据选择器、集成触发器、集成计数器、集成 单稳态电路、定时器等的功能及使用，掌握电路的装配与焊接技术，掌 握电路的调试与检测技术，验收时超声波测距仪应具有良好的抗震性能 与控制效果。 关键词： 超声波，焊接技术，元件识别，电路的装配
超声波测距仪设计说明书
1.1设计内容随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。
超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。
超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力[2]。
因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。
特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点[3]。
本次设计主要是利用STC12LE5406AD 单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作，以STC12LE5406AD 为主控芯片，利用超声波对距离的检测，将前方物体的距离探测出来，然后单片机处理运算，与设定的报警距离值进行比较判断，当测得距离小于设定值时，STC12LE5406AD 发出指令控制蜂鸣器报警。
1.2 设计要求随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中应用越来越广泛。
其原理是：以STC12LE5406AD 为主控芯片，实现发射电路的控制和接收数据的处理，并用数码管显示测量的数据。
具体指标要求是：指标1：测量精度-1~+1cm指标2：显示四位本系统在“报警”方面进行创新，其功能是：创新1：设定报警距离值，当测得距离小于设定值时，蜂鸣器报警1.3 系统总体结构本设计包括硬件和软件设计两个部分。
模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。
电路结构可划分为：超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路。
就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。
单片机应用系统也是有硬件和软件组成。
硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。
单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
超声波测距系统课程设计
超声波测距系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解超声波的基本概念，掌握超声波测距的原理；2. 学会使用超声波传感器，了解超声波测距系统的组成；3. 掌握超声波测距系统中涉及的计算公式和数据处理方法。
技能目标：1. 能够独立操作超声波测距系统，进行实际距离的测量；2. 培养学生动手实践能力，提高解决问题的能力；3. 学会分析实验数据，提高数据处理和误差分析的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理学科的兴趣，激发探索科学的热情；2. 培养学生的团队合作精神，提高沟通协调能力；3. 增强学生对科技创新的认识，培养创新精神和实践能力。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程旨在让学生通过实际操作，掌握超声波测距的基本原理和方法，培养实际应用能力。
课程目标具体、可衡量，以便学生和教师能够清晰地了解课程的预期成果。
通过本课程的学习，学生将能够独立完成超声波测距系统的操作和数据处理，提高自身综合素质。
二、教学内容1. 超声波基本概念：超声波的定义、特点及应用领域；2. 超声波测距原理：超声波发射与接收、声速、时间测量及距离计算；3. 超声波传感器：传感器类型、结构、工作原理及性能参数；4. 超声波测距系统组成：传感器、信号处理电路、显示与控制模块；5. 实验操作与数据处理：操作步骤、数据处理方法、误差分析；6. 教学案例：分析典型超声波测距系统案例，理解实际应用中的问题及解决方法。
教学内容依据课程目标，结合教材相关章节进行选择和组织。
教学大纲安排如下：第一课时：超声波基本概念、测距原理及传感器介绍；第二课时：超声波测距系统组成、实验操作方法；第三课时：数据处理、误差分析及教学案例讨论。
教学内容确保科学性和系统性，注重理论与实践相结合，提高学生对超声波测距系统知识的掌握和应用能力。
三、教学方法本课程采用多种教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性，提高教学效果。
1. 讲授法：通过教师对超声波基本概念、测距原理、传感器等理论知识的系统讲解，使学生掌握基本理论和方法。
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课程设计说明书成绩题目基于超声波传感器的测距系统设计课程名称检测技术及系统课程设计1．课程设计应达到的目的通过对本课程的设计，使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术，了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理，通过对检测系统的设计与分析，增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。
2．课程设计题目及要求题目：基于超声波传感器的测距系统设计要求：（1）测距范围：0~200mm，测距精度：±1mm；（2）根据题意，明确测距系统性能指标及系统能完成的功能；（3）根据系统要求，选择合适的传感器；（4）设计传感器测量电路；（5）选择单片机的品种、型号，设计单片机的外围测量电路；（6）计算有关的电路参数，有条件的情况下，根据实验室现有设备进行实验数据的测取，明确测量电路输出与被测非电量的关系；（7）画出系统原理框图（此部分放在说明书的开始）；（8）画出系统电路图，最好用PROTEL画；（9）在说明书中详细说明本系统工作原理。
3．课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕(1)给出设计说明书一份；(2)有条件的情况下尽量给出必要的实验数据；(3)在说明书中附上完整的系统电路原理图（手画或用PROTEL画）。
4．主要参考文献1、李现明，吴皓编著.自动检测技术.北京：机械工业出版社，20092、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.20013、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.20005．课程设计进度安排起止日期工作内容13年6月3日布置设计任务，熟悉课题，查找资料；13年6月4日结合测控对象，选择合适的传感器，理解传感器性能；13年6月5日做实验,设计传感器测量电路，选择合适的单片机，设计其外围电路；13年6月6日设计电路参数，有条件情况下，在实验室进行实验，进一步理解测量电路输入输出关系；13年6月7日继续设计论证电路参数，完善系统设计方案；13年6月8日查找资料，理解系统各部分工作原理；13年6月9日理清系统说明要点，着手设计说明书的书写；13年6月13日书写设计说明书，充分理解系统每一部分作用；13年6月14日上午完善设计说明书，准备设计答辩。
13年6月14日下午设计答辩。
6．成绩考核办法平时表现30%，设计成果40%，答辩表现30%.教研室审查意见：教研室主任签字：年月日院（系、部、中心）意见：主管领导签字：年月日目录1.超声波测距系统总体设计 (1)1.1超声波和超声波传感器 (1)1.1.1 超声波 (1)1.1.2超声波传感器结构 (1)1.2 超声波测距系统原理及测量方法 (3)1.3 超声波测距系统主要参数论述 (4)1.3.1 工作频率 (4)1.3.2 指向角介绍 (4)1.3.3 温度介绍 (4)1.4 总体设计 (5)2.超声波测距系统硬件设计 (6)2.1时钟电路和复位电路 (6)2.2 发射部分电路 (7)2.3 接收电路 (8)2.3.1 CX20106的应用 (8)2.3.2 显示电路 (9)2.4温度测量电路 (10)2.5 报警电路 (10)3.超声波测距系统软件设计 (11)3.1 软件设计原理 (11)3.2 主程序分析 (12)3.3 子程序流程图 (13)3.4 测量温度子程序 (14)3.5 系统误差分析及改进 (16)3.5.1 误差产生原因分析 (16)3.5.2 针对误差产生原因的系统改进方案 (17)4.运行图 (17)总结 (18)参考文献 (18)附录1 超声波距离探测器设计原理图 (19)附录2 源程序 (20)基于超声波传感器的测距系统设计一．超声波测距系统总体设计1.1．超声波和超声波传感器1.1.1．超声波在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，我们生活的世界充满了各种可听的声信号。
声学是最早发展的学科之一。
我国两千多年前的先秦时期，在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展作出了重要的贡献。
在国外，19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。
然而超声波人们发现的就相对晚一点了。
由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。
我们知道以前在物理课中学过，人们可听到的声音频率为20HZ-20KHz，即为可听声波，超出频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波，称为超声波，或称超声。
声波的速度越高，越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。
由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同。
一般有以下几种：①纵波质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。
它能在固体、液体和气体中传播。
②横波质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。
它只能在固体中传播。
⑧表面波质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波。
表面波只在固体地表面传播。
1.1.2超声波传感器结构超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此，利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。
它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。
电声型主要有：1．压电传感器：2．磁致伸缩传感器：3．静电传感器。
流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。
其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变：相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。
因此，用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。
前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号[7]。
双压电晶片如图1-1所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动双压电晶片的等效电路如图1-2所示，c0为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联电阻O”和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率儿。
发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样，超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器的结构如图13所示，它采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在长度方向上，一片伸长另一片就缩短。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其上面用引线通过金属板（振动板）接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。
双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。
这两处的支点就成为振予振动的节点。
金属板的中心有圆锥形振予，发送超声波时，圆锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波：接收超声波时，超声波的振动集中于振子的中心，所以能产生高效率的高频电压。
1.2超声波测距系统原理及测量方法超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。
其中脉冲回波法测距最为常用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。
如图1-4所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，在己知超声波声速犷的前提下，利用：1.3超声波测距系统主要参数论述1.3.1工作频率空气中超声波的衰减对频率f很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz 左右，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。
传感器的上作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。
工作频率的确定主要基于以下几点考虑：(1)如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。
(2)1作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。
(3)从传感器设计角度看，I作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。
综上所述，由于木测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz。
这样传感器方I句性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。
1.3.2指向角介绍传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，记为0，它直接影n向测量的分辨率。
对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径r有关。
1.3.3温度介绍由9.9可知，声速的大小线性的决定了测距系统的测量精度。
空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力力的作用，实现超声波在空气中传播。
因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响。
即：其中B为气体的弹性模量，r为气体的密度。
气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得：B=g．r，其中g为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40，P为气体的压强。
气体的压强为：其中，R为普适常量8. 314kg/mol，T为气体温度K（绝对温度），M为气体分子量，空气为28.8×10-3 kg/mol。