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〕

(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，2009

2、徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京：机械工业出版社.2001

3、陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京：人民邮电出版社.2000

5．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，