1、XX 理工大学毕业设计（论文）1XX 理工大学毕业设计（论文）超声波测距传感器及其在卷径测量中的应用学院（系）： 信息学院 专业班级： 信息工程专业 XX 班 学生姓名： XX 指导教师： 周 X XX 理工大学毕业设计（论文）2学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送
2、交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日XX 理工大学毕业设计（论文）3XX 理工大学本科生毕业设计(论文)任务书学生姓名 XX 专业班级 信息 XX 班 指导教师 周 X 工作单位 信息工程系 设计(论文)题目: 超声波测距传感器及其在卷径测量中的应用设计（论文）主要内容：熟悉和了解超声波测距传感器的需求，理解和
3、掌握超声波测距的原理，掌握超声波测距传感器的设计，并完成超声波测距传感器的仿真和调试， 同时还要熟悉和掌握仿真软件 Proteus 软件、Keil 软件、Protel 软件的电路设计、 仿真和调试功能以及 51 单片机的设计运用。要求完成的主要任务:1、查阅不少于 15 篇相关资料，其中英文文献不少于 2 篇，完成开题报告。2、超声波测距传感器的需求调查、分析，绘制硬件电路图和软件流程图等，折合不少于 3 张 12#图纸。同时，完成要求超声波测距传感器的死区距离100mm 以内、测量距离 100mm-1000mm、直径 16mm、模拟量和 CAN /485可选、配一个 CAN 的通信界面和恒流
4、源，实现张力控制3、完成超声波测距传感器的设计开发、仿真和测试。4、完成不少于 20000 英文字符的英文文献翻译。5、完成不少于 12000 字的毕业设计论文的撰写和修订。必读参考资料：1 林玉池等.现代传感技术与系统.机械工业出版社，2010.32 Hoefel,A.；Goswami,J.C.Subsurface telemetry in conductive medium for remote sensors.IEEE and Propagation society International Symposium,2003.5 3 蒋全胜.传感器与检测技术.中国科学技术大学出版社， 20
5、13.1 指导教师签名 系主任签名 院长签名(章) XX 理工大学毕业设计（论文）4武汉理工大学本科学生毕业设计（论文）开题报告1、 目的及意义（含国内外的研究现状分析）研究超声波测距传感器及其在卷径测量中的应用。要求研究出的超声波测距系统能够在短距离内实现测距，并能够实现测距结果的显示。对超声波测距系统的具体参数的要求是死区距离 100mm 以内、测量距离 100mm-1000mm、直径16mm、模拟量和 CAN /485 可选、配一个 CAN 的通信界面和恒流源，实现张力控制。超声波是一种频率在 20khz 以上的声波，作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：反射、折射、干涉、
6、衍射和散射，与物理联系紧密，应用灵活。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，并且更适合于高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰等恶劣环境下工作。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。超声波测距作为一种间接、非接触式、高精度的距离检测方法，具有不易受光、电磁波和粉尘等外界因素干扰，对被检测物无损害以及声波传播速度在相当大范围内与频率无关等独特优点。无论从精度还是可靠性方面，超声波测距都做得比较好。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。具有广泛的应用前景。由此可见，对超声波测距的研究具有实际意义。由于超声测距是一种非接触 2检
7、测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品） 、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系统乃至地形地貌探测等许多领域中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因
8、此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能XX 理工大学毕业设计（论文）5达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向） 。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。国内的超声波测 3量主要集中在对 010 m 固体和液体的测量，一般测量精度高，回波稳定 4。近年来随着超声波技术研究的不断深入已广泛应用于各种工业领域，如工
9、业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内的一些学者也作了大量相关的研究。南昌航空工业学院的江泽涛 5在温度对液体中超声波速度的影响一文中，洋细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度对声速及声时的影响， 用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。Figneroa JF ，Lamancusa JS 6在A method for accurate detection of time of ar
10、rival：AnalysiS and design of ultrasonic ranging system一文中，提出一种新的计时方法，该方法的原理是回波时延由峰值时延和相位时延相加而得，分别用不同的检测方法得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传播时间。XX 理工大学毕业设计（论文）62、基本内容和技术方案设计题目：超声波测距传感器及其在卷径测量中的应用。技术方案：1、硬件设计本系统包括以下几部分：以单片机为核心，周围电路包括显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、扫描驱动等。 计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。系统组成如图 2.1
11、 所示：单片机超声波接收超声波发送LED 显示扫描驱动图 2.1 硬件设计图 二、软件设计由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。首先对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位的定时计数器模式，置位总中断允许位 EA 并给显示端 P0 和 P2 清 0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟 0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断 0 接收返回的超声波信号。由于采用 12MHz 的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的
12、数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取XX 理工大学毕业设计（论文）720时的声速为 344 m/s 则有:d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中 T0 为计数器 T0 的计数值）（2.1）测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式 LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如图 3.2 所示：系统初始化开始发送超声波脉冲等待发射超声波计算距离显示结果图 2.2 主程序框图3、进度安排13 周：查阅相关资料，完成开题报告。47 周：建立系统的数学模型，设置调节器参数，并分析部分性能811 周：设计电路原理图和编好相关程序。12
13、14 周：观察系统仿真结果，完成仿真调试。1517 周：完善毕业毕业设计论文，并答辩。4、指导教师意见XX 理工大学毕业设计（论文）8指导教师签名： 年 月 日XX 理工大学毕业设计（论文）目 录摘 要.1Abstract.21 绪 论 31.1 课题的研究背景 .31.2 研究的目的和意义 31.3 研究的主要内容 42 超声波测距系统的工作原理 52.1 超声波概述 52.2 压电式超声波传感器原理及特性 62.3 超声波测距原理 83 系统硬件设计 103.1 电路工作原理及设计 103.2 主要电路具体设计及主要元器件介绍 103.2.1 电源电路 .113.2.2 微处理器电路 .1
14、23.2.3 超声波发射电路 .153.2.4 超声波接收电路 .153.2.5 显示电路 .183.3 具体设计步骤.204 系统软件设计 224.1 软件设计的总体方案 224.2 主程序流程图 224.3 子程序流程图 235 超声波测距的误差分析 265.1 测量结果 .265.2 误差分析.265.3 实物图286 结论与展望 .29参考文献 30附录 31致谢 36XX 理工大学毕业设计（论文）摘 要随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。在社会生活中应用超声波测距技术已很广泛，如汽车倒车雷达、测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢
15、，在介质中传播的距离较远，因而超声测距技术的研究和开发具有实际意义。 本文介绍了一种利用超声波测距的系统，该系统是一种基于单片机的超声波测距系统，它根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。通过单片机的 I/O 口控制超声波发射电路发出 40KHz 的超声波，反射波经由超声波检测接收电路、放大电路送入单片机外部中断端，通过计算超声波的发射和返回的时间，确定超声波发生器和反射物体之间的距离，完成测距。该系统可实现 4 米内测距，盲区 2 厘米。 关
16、键词： 超声波；测距；单片机XX 理工大学毕业设计（论文）AbstractWith the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. It is applied widely by ultrasonic to measure distance,such as cars reversing radar，range finder and level measurement and so on.Because of the strong point of ult
17、rasonic, low energy consumption,long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultrasonic. In this paper ,it introduces a system to measure distance by ultrasonic,which is based on the STC.The theory is based on the principles of reflection of ultras
18、onic spreading in the air. The system uses ultrasonic sensors as a detector, and applies MCU and the time difference of ultrosonic spreading in the air to measure the distance. The system consists of the main controller module, ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module and display mo
19、dule. The MCU I / O port controls ultrasonic transmitter to send 40 KHz ultrasonic, and the reflecting singal is received by the ultrasonic receiver circuit, and it is amplified,and finally,it starts the interruptor of the MCU.The MCU calculates the time of launch and return of ultrasonic to get the
20、 disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the blind spot of 2 cm。 Key Words：Ultrasonic ； Distance measurement；Microcontroller XX 理工大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的研究背景超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其
21、他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成
22、一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。1.2 研究的目的和意义超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，和激光、涡流和无线电测距方法相比，具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在工业控制、建筑测量、机器人定位方面得到了广泛的应用。但由于超声波传播声时难于精确捕捉，温度对声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，测距成为
23、数据采集中要解决的一个问题。而由于超声波的速度相对光速小的多，其传播时间比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用超声波特性、电子技术、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。因为它是非接触式的，所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的情况下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。 超声波测距是一种极有潜力的方法，本文结合超声波的特性设计了一个简单实用的XX 理工大学毕业设计（论文）超声测距系统。1.3 研究的主要内容本课题主要内容是设计一个超声波测距系统,由于超声波在空气中的
24、传播速度为已知，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，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。 课题研究方案是根据设计要求并综合各方面因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，本设计要进行近距离测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器压电式超声波换能器。XX 理工大学毕业设计（论文）2 超声波测距系统的工作原理2.1 超声波概述声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各
25、式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到 18 世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约 20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有
26、很大关系。 声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为 1440m/s，而在钢铁中约为 5000m/s。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可有精确的理论公式，有的关系比较间接而复杂，但在特定条件下，也可建立一些经验公式，例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等，都可以与声速建立一定关系，这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化，因此出现了超声温度计和超声流量计等。在声
27、速已知的介质中，可以利用身波传播距离 L 和传播时间 t 的关系 L=vt，进行超声测距，超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。由物理学可知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波型相同时，波速相同，入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比。超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于
28、这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度 与声速 c 的乘积，用 Z 表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利XX 理工大学毕业设计（论文）(rayl)。超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生原因可分为三个方面: (1)由于波前的扩展而产生的能量损失； (2)超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减； (3)由于介质内耗所产生的吸收衰减。 2.2 压电式超声波传感器原理及特性 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头3、4。压电式超声波传
29、感器如图 2.1 所示。图 2,1 超声波传感器结构图压电式超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应。逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负压电晶片共振板电极电荷中心发生位置变化，这种位
30、置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，品体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。 正压电效应是指当对某XX 理工大学毕业设计（论文）电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为
31、接收换能器。超声波传感器的基本特性分为频率特性和指向特性。 1、频率特性 图 2.2 是超声波的频率特性曲线。图中，f0 为超声波发射器的中心频率，在 f0 处，超声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在 f0 处所产生的超声波声压能级最高。而在 f0 两测，声压能级迅速减小。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的f0 的交流电压来激励。由图知，f0 为中心频率，曲线在 f0 处最尖锐，输出电信号的幅度最大，信号 f0 处接收灵敏度最高。因此超声波接收器具有很好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系，如果 R 很
32、大， （如大于 100K）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， （如小于 10K）频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽，同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动。因此，超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。 图 2.2 超声波发射传感器的发射频率特性图 图 2.3 超声波传感器指向特性图2、指向特性 实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片，可以把表面上每个点看成 1 个振荡源，辐射出一个半球面波（子波） ，这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果（衍射） ，却有指向性。指向特
33、性用指向图表示。上图 2.3就是超声波传感器的指向图。超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 =0 声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声波传感器的指向角一般为40 度80 度5。超声波传感器指向特性图如图 2.3 所示。 XX 理工大学毕业设计（论文）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 最常用的超声测距的方
34、法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离 s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速 V 与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。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基本原理
35、。如图 2.4 所示： 图 2.4 超声波测距原理图H=Scos （3.1）=arctg( ) （3.2 ）HL式中: L-两探头之间中心距离的一半 . 又知道超声波传播的距离为: 2S=vt （3.3）式中:v超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间。将（32） 、 （33）代入（3-1）中得：XX 理工大学毕业设计（论文）H= vtcosarctg( ) （3.4 ）21HL其中,超声波的传播速度 v 在一定的温度下是一个常数(例如在温度 T=30 度H= vt （3.5）所以,只要需要测量出超声波传播的时间 t,就可以得出测量的距离 H。XX 理工大学毕业设计（论文）
36、3 系统硬件设计3.1 电路工作原理及设计主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分组成。利用单片机来实现对超声波和超声波转换模块的控制。单片机通过 INT0 引脚来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测 INT1 引脚，当 INT0 引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。结构框图如图 3.1 所示。图 3.1 超声波测距系统结构框图3.2 主要电路具体设计及主要元器件介绍电路采用 L7805CV 作为电源电路将+12V 电压转换为 +5V 电压，控制器选用STC12C205
37、2 单片机,晶振为 11.0592MHZ,单片机 INT0 口输出超声波换能器所需的 40KHz方波信号,由 CX20106A 红外接收芯片和 TCT40-10 系列超声波换能器来实现超声波信号的接受和发射控制，经计算，距离由显示电路显示，采用简单的 3 位共阳极 LED 数码管进行动态显示。 XX 理工大学毕业设计（论文）3.2.1 电源电路电源电路原理图如图 3.2 所示，图 3.2 电源电路原理图本系统中使用到的电源包括+5V 和+12V ，其中+12V 电压由直流稳压电源提供，通过电源接头提供给电路板。用 L7805CV 为主的电路将 12V 电压转换+5V 电压。L7805CV的外形
38、如图 3.3 所示。图 3.3 L7805CV 的外形图这是一个三端集成稳压电源应用电路，整流滤波后得到的+12V 电压，在输出端即可得到稳定的输出电压+5V ，为了改善纹波电压，在输入端接入电容 C0，其值为 100uF。同时在输出端上接入电容 C0，其值为 100uF,以改善负载的瞬态响应。以防输出电压过高，所以在输入端和输出端之间跨接一个保护二极管 V2(IN4007)，其具体作用是在输入端短路时使输入端和地之间的电容 C0 通过二极管放电，以保护集成稳压器内部调整管。 我国电源提供的交流电一般为 220V，而各种电子设备所需要的直流电压的 幅值却各不相同。XX 理工大学毕业设计（论文）
39、因此，常常需要将电网电压先经过电源变压器，然后将变换以后的副边电压再去整流、滤波和稳压，最后得到所需的直流电压幅值。直流电源组成如图 3.4 所示,图 3.4 直流电源组成图其中整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压，但其中包含很大脉动成分，距理想电压还差很远。滤波器由电容电感等储能元件组成，它的作用是尽量将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，输出比较平滑的直流电压，但当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出的直流电压的幅度也将随之变化，在要求比较高的电子电路中这是不符合要求的。稳压电路的作用是采取措施使输出的直流电压在电网电压或负载电流发
40、生变化时保持稳定。这个电源就是根具其基本原组成在其基础上按实际需要和实际情况设计的。3.2.2 微处理器电路（下载完整文档 请联系 QQ 1096158260）5 超声波测距的误差分析5.1 测量结果硬件电路制作应避免出现虚焊或焊接短路的情况，完成并调试好后，便可将程序文件下载到单片机芯片试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲个数和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。如表 5.1 所示。表 5.1 实际距离与测量距离误差关系实际距离（cm）15 20 40 60 120 150 180 200 230XX 理工大学毕业设计（论文）根据文中电路参数和程序，测距器可测
41、量的范围为 0.24.0m，在试验中对测量范围0.152.30m 内的物体做了多次测试，经过多次测量发现，在同一温度下有如下规律:(1)对于同一距离进行多次测量取平均值的方法，所测数据稳定性较好 2m 范围内变化平均值误差最大不超过 20mm;(2)测量误差随着所测距离的增大而增大。这里的误差包含两种:一种是固定误差测量的起始位置与探头的压电晶片所在位置之间的距离，这种误差不随测量环境和距离的变化而变化;另一种是可变误差随着距离的增大而增大，主要是由接收超声波越过阀值的时间与超声波实际到达探头的时间不同引起的。(3)20mm 以内是盲区。5.2 误差分析声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，
42、因此，利用声速测量距就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引密变化，气体中声速主要受密度影响。液体的深度、温度等因素会引起度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大。一般超声波在固体传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度影响最大声波扰动是机械的，声波在传播中带有机械能量，声能传播的中逐渐转变成热，从而出现随距离而逐渐衰减的现象，称为声吸收。1、温度对声速的影响在空气中测量距离时，根据超声波测距公式 L=CT，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。温度是影响声速的主要因素。 超声波的传播速度受空气的密度所影响，
43、空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。 已知超声波速度与温度的关系如下：(5.1)式中： 气体定压热容与定容热容的比值R 气体普适常量 测量距离（cm）20 20 40.5 61 119 151.5 178.5 198 232.5误差 （cm）5 0 0.5 1 1 1.5 1.5 2 2.5MRTC/XX 理工大学毕业设计（论文）M气体分子量 T 绝对温度 近似公式为：C=C 0+0.607T (5.2)式中：C 0 为零度时的声波速度 323m/s；T 为实际温度( )。对于超声波测距精度要求达到 1mm 时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如
44、当温度 0时超声波速度是 332m/s, 30时是 350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为 18m/s。若超声波在 30的环境下以 0的声速测量 100m 距离所引起的测量误差将达到 5m，测量 1m 误差将达到 5mm。表 5.1 为声速 c 与温度有关系，如温度变化不大，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时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度补偿。本文要求精度不高，所以未加测温部分，如果要提高精度这里可以增加 DS18B20 测量环境温度模块，如果想要增强系统的可靠性，可在软硬件上
45、采用抗干扰措施。根据不同的环境温度确定声速，以提高测距的稳定性和准确性。表 5.2 声速 c 与温度对应表2、湿度对超声波衰减程度的影响声波传播过程中，声压的幅度由于媒质中声吸收而衰减，声强随频高衰减增加，进而湿度对超声波衰减程度有一定的影响。3、硬件电路引起的时间误差由于收发电路对信号的处理会对回声时间产生 y 个固定的延迟时间从而引出一定的测量误差. 另外，在测量过程中测量的起始位置与探头的压电晶片所在位置之间一定的距离，也对测量结果造成一定的误差，但是这种误差不随测量环境距离的变化而变化，属于固定误差。需要进行硬件调试才会有所改善，但是不可能完全消除。5.3 实物图温度() -30 -2
46、0 -10 0 10 20 30 100声速（m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386XX 理工大学毕业设计（论文）（下载完整文档 请联系 QQ 1096158260）XX 理工大学毕业设计（论文）6 结论与展望随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测试，并可以进行一定的误差分析。本文以检测距离为目标，对超声波的工作原理、超声波测距主要误差来源作了相应的分析。针对精度的要求，提出了带有温度补偿的超声波界面检测系统，并在软件和硬件上实现了该系
47、统。围绕如何开发基于单片机的超声波测距系统进行了如下的工作：(1)探讨了超声波测量技术，分析了超声波测距的误差来源，提出了系统的总体设计思想。(2)设计了以 STC12C2052 单片机为核心的超声波界面检测系统，该系统具有低成本、高精度、微型化数字显示的特点。(3)在系统硬件设计的基础上，对系统的软件需要实现的功能进行了分析，设计了系统的主程序流程，分析各个中断程序和主程序之间的关系，用汇编语言和 C 语言逐个实现了各自的功能模块。由于个人能力及试验条件有限，我的设计还有很多不足之处，系统虽然能实现基本的功能，但投入使用时仍需要对系统作进一步的完善和提高：(1)超声波的测量距离与环境直接相关
48、，由于本设计中所用设定温度为常温，故应用范围相对较小。如果需要扩大测距范围，可以根据实际情况添加更合适的温度传感器。(2)由于受实验条件的限制，本设计未能进行现场实验数据的采集，所有实验仅局限于实验室，这与实际测量有一定差距。(3)超声波探头相对安装位置的影响，渡越时间延迟造成的误差及其他误差源的存在，从软件角度，使用一些数据处理算法，消除误差干扰，提高测量精度。XX 理工大学毕业设计（论文）参考文献1 王莹.高精度超声波测距仪的研究设计D .华北电力大学硕士学位论文,2006:1-8 页 2 童峰，许水源等.一种高精度超声波测距处理方法J.厦门大学学报（自然科学版）.1998,34（4）：507-512 页3 林书玉.超声波换能器的原理设计M.科学出版社,2003:6-12 页4 李茂山.超声测距原理及实践技术J.实用测试技术.1994,(1)：11-15 页5 常静，贺焕林 .减少超声波测距仪盲区的研究M.棉花加工技术,2005:22-23 页6 江 力.单片机原理 M.清华大学出版社,2006 ：21-150 页7 房小翠,王金凤编著 .单片机实用系统设计技术M. 国防工业出社,1996:105-110页8 杨素行.模拟电子技术基础简明教程M.高等技术出版社,1998：492-541 页9 陈 杰,黄 鸿.传感器与检测技术M.高等教育出版社,2002;114
