电子设计竞赛设计报告-超声波测距仪

“第六届”电子设计竞赛
设
计
报
告
作品名称:
超声波测距报警器
姓
名:
徐明波
陶勇
顾金龙
年级专业: 07 测控 07 级电气工程 07 级电气工程 指导教师: 完成时间: 2010 年 李 4 涛 月 6 日
电气信息学院

西华大学电子设计竞赛设计报告
超声波测距报警器
摘 要：由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超 声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。本文主 要介绍超声波在汽车防撞报警系统中的应用，以 STC89C52 单片机为核心的低成本、高 精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。
关键词：超声波发生器 超声波换能器
测距
Abstract: As the ultrasonic point to straight, energy consumption is slow, and it can spread a long distance in the medium, therefore it is often used in distance measurements, such as range finders and Level Meter can be achieved by ultrasound. In this paper, ultrasonic collision warning system is used in the way to protect the car from breaking into another. Here we use the chip of STC89C52 to help us complete this work, as its low-cost, high precision, miniature digital.
Keywords: Ultrasonic
generator;
ultrasonic
transducer;
ranging

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1 方案论证与比较
1.1 方案一：激光测距 传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标 反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后 成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感 器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所 经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输 时间，因为光速太快。常要求电子产品分辨出 ns 级别的电信号。这是对电子技术 提出的过高要求，实现起来造价太高。 1.2 方案二：超声波测距 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，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停 止计时。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(s)，即：s=340t/2。 1.3 方案论证与比较 因为我们选择使用的是 MCS51 单片机，而 51 单片机的周期最小为 1us，在我们需要 的精度要求内单片机无法满足激光测距仪的要求,更达不到激光测距所要求的电子产品 的反应速度，而超声波测距在相对来说，经济实惠、结构简单并且易于操作。所以我们 选择超声波测距来实现测距达到我们最终的设计目的。
2 理论分析与计算
2.1 的超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超 声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超 声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气 流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相 同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2.2 压电式超声波发生器原理 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 构如图 1 所示，它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。 2.3 超声波测距原理 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，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超

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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(s)，即：s=340t/2。
由于超声波也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表 1 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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即 可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如图 1 所示。 表 1 声速与温度关系表 温度（℃） -30 -20 319 -10 325 0 323 10 338 20 344 30 349 100 386
声速（米/称） 313
3 系统设计
3.1 超声波的发射与接收电路 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超 声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超 声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气 流旋笛等。 他们所产生的超声波频率、 功率和声波特性各不相同， 因而用途也各有不同。 幕墙较为常见的是压电式超声波发生器。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如图 3.2.1，它有两个压电晶片和一个共振板。 当它两极歪加脉冲信号， 其频率等于压电晶片的固有震荡频率时， 压电晶片将发生共振， 并带动共振板振动，便产生了超声波。