自动检测课程设计(DOC)

课程设计报告超声波测距仪的设计学院信息工程与自动化学院学科专业自动化113姓名学号指导老师陈焰起止周次12周——16周提交日期摘要由于现代生产要求，人们发现需要实现非接触式的生产测距，而超声波测距是一种性能良好的测距方式，主要应用于倒车雷达、工地以及一些工业现场，本文设计了一种以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化LED显示超声波测距仪，并使用一些常用芯片如：74LS04等。

系统由单片机、超声波发射电路、超声波放大电路以及显示电路构成。

由芯片AT89S51控制计算机超声波从发射到接收的传送时间，从而得到待测距离。

本系统具有易检测、软件功能完善、工作可靠、准确度高等优点。

本文论述了单片机技术研制成功的超声波测距仪的基本原理，测量计算方法，实现方案。

采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。

实际使用表明，极大的提高了安全性、可靠性和准确度。

已知超声波在空气中的传播速度，只要测得超声波往返的时间，就可以求出障碍物的距离。

本系统以超声波传感器为基础，DSP芯片TMS320VC5402来控制完成数据采集、处理、显示和报警。

首先由DSP控制发出超声波并开始计时。

超声波遇到障碍物后反射，反射回来的衰减信号被超声波传感器接收。

衰减信号被放大和A/ D 转换后输入到DSP 芯片进行处理。

这样就得到了超声波的传输时间，从而计算出障碍物的距离。

软件部分则是通过CCS 软件来完成的。

实验后表明：在障碍物距离较近时，所测距离精确度和重复性更高。

该系统主要技术指标达到了设计要求。

最后分析了误差原因，并提出了完善措施。

关键词：超声波、传感器、测距、单片机目录一、前言........................................ 错误！未定义书签。

1.1 超声检测发展综述 (1)1.2 超声传感器介绍 (2)1.2.1 超声传感器的原理及结构 (2)1.2.2 超声传感器的特性 (4)二、超声测距系统的总体方案 (5)2.1 超声测距系统的总体思路 (5)2.2 系统主要参数考虑 (6)2.2.1 传感器的指向角θ (6)2.2.2 测距仪的工作频率 (6)2.2.3 发射脉冲宽度 (7)2.2.4 测量盲区 (7)2.3 发射电路的方案设计 (8)2.3.1 发射波形 (8)2.3.2 发射波形的数学模型 (8)2.3.3 发射电压 (9)2.4 接收放大器的方案设计 (9)三、硬件电路设计 (10)3.1 发射电路 (11)3.2 接收电路 (11)3.3放大和滤波电路 (12)3.4 温度检测电路 (13)四、系统软件设计 (13)4.1 主程序 (14)4.2超声波测距仪的算法设计 (14)4.2 超声波发射程序和接收中断程序 (15)五、总结 (15)六、参考文献 (16)一、前言1.1 超声检测发展综述高速度、高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。

设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。

当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。

现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。

没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。

”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。

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，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。

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。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象。

其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。

与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。

过去那种全功能的仪器设置，还不使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。

仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。

综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。

1.2 超声波传感器介绍1.2.1 超声波传感器的原理及结构超声波传感器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。

由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“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，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。

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 f0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。

图1-1 双压电晶片示意图双压电晶片如图 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静电电容，R 为陶瓷材料介电损耗并联电阻Cm 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 f0。

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。

图1-2 双压电晶片等效电路超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。

金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。

1.2.2 超声传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性：一、频率特性图1-3 超声发射传感器频率特性图 1-3 是超声波发射传感器的频率特性曲线。

其中，f0＝40KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 f0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 f0处所产生的超声声压能级最高。

而在 f0两侧，声压能级迅速衰减。

因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 f0的交流电压来激励。

另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。

曲线在 f0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在 f0处接收度最高。

因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。

超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R 也有很大关系，如果 R 很大，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，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。

并且最大灵敏度向稍低的频率移动。

因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。

二、指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。

但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。

图 1-4 是电路中选用得发射传感器的指向图。

图1-4 超声发射传感器指向图超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0°时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。