超声波测距仪设计论文毕业论文
超声波测距仪的设计毕业论文
摘要随着社会的开展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。
还有在很多要XX时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。
于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。
超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。
超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。
目前对于超声波准确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的准确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。
在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。
此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。
随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断开展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。
目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。
与其他测距方法相比拟，超声测距具有下面的优点：〔1〕超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。
〔2〕超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。
〔3〕超声波传感器构造简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。
因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。
关键词：超声波；测距；电子电路AbstractWith the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging method can't finish the task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a plete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people.At present the demand for ultrasonic accurate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely application. In addition, in material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in.Along with the puter technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is being more and more importantpared with other ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages:(1) to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identify transparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body).(2) ultrasonic outside light and the electromagnetic fields to not sensitive, and can be used in the dark, dust or smoke, electromagnetic interference is strong, such as toxic bad environment.(3) ultrasonic sensor simple structure, small volume, low cost, technical difficulties small, information processing, simple and reliable easy to miniaturization and integration. Performance optimization; Performancesimulation; Automatic exchange optical network Key Words:Ultrasonic；ranging；electronic circuit目录第1章绪论 (1)1.1课题背景及设计意义11.2 本课题研究的主要内容 (3)第2章系统方案论证42.1 超声波测距仪的设计原理 (4)2.2 超声波测距技术选型 (4)2.3 控制器选型 (6)2.3.1 单片机选型82.3.2 AT89S51主要性能参数及功能92.4 超声波发生器选型 (9)2.5 超声波接收传感器选型 (10)2.6 显示单元选型 (11)2.7 语音播报电路选型 (11)2.8 温度传感器的选型 (12)第3章系统的硬件构造设计 (13)3.1 单片机最小系统 (13)3.2 超声波发射电路 (14)3.3 超声波检测接收电路 (16)3.4 显示单元电路 (18)3.5 语音播报电路 (20)3.6 电源电路设计 (21)第4章系统的软件设计 (23)4.1超声波测距仪的算法分析 (23)4.2主程序流程图 (24)4.3超声波发生子程序和超声波接收程序 (25)第5章系统调试仿真 (27)5.1PROTEUS软件简介 (27)5.2 仿真调试结果 (29)第6章总结与展望 (30)参考文献 (31)致谢错误!未定义书签。
超声波测距论文(含原理图、程序)
1 绪论之阿布丰王创作以后社会经济的不竭发展和工业科学技术的不竭提高,汽车已逐渐进入很多苍生家.汽车使用数量的不竭增加,从而由此招致的倒车交通平安问题也非常严重,路途交通压力增加,交通平安问题也是面临严峻挑战.在面临如此严峻的交通平安问题,许多涉及平安问题的汽车辅助系统也纷纷现世.而本设计就是利用单片机知识、传感器知识等,进行的汽车防撞装置的设计,在汽车倒车时,这种装置可以在驾驶员对车尾与障碍物体的距离远近无法目测和判断时进行报警.1.1 课题布景及意义我国社会经济的不竭发展,人们对汽车这种交通工具的依赖性也越来越年夜,招致了车辆的日益增加在给城市交通不竭施加压力的同时,也引发了非常多行车的平安问题.一些由驾驶员反应不够迅速而招致的汽碰擦,还有很多时候是由于驾驶员对离障碍物的距离判断禁绝确而造成的,如果驾驶员能提前知道障碍物的存在而且知道障碍物的距离,那么驾驶员就能及时地采用办法,从而能防止事故的发生.因此,许多平安系统也应运而生,诸如为了防止交通事故发生的主动平安系统和在发生事故时的防护平安的主动平安系统,而主动平安系统对汽车交通事故的发生能起到防止的作用,所以,主动平安系统的研究更为重要.随着汽车数量的增加,停车场的数量也急剧增加,停车车辆密集,停车人多,所以汽车碰撞亦逐渐增多.而本设计的汽车防撞装置就是主动平安系统,通过对汽车与障碍物之间距离的提示报警防止汽车与障碍物之间的擦碰.本设计要求设计的汽车防撞装置能减少驾驶员的驾驶压力和判断毛病,使驾驶员停车倒车更加平安方便,本设计将对提高交通平安起到重要作用.本设计基于单片机实现汽车防撞,将超声波测距和传感器联系在一起,利用单片机的实时控制和数据处置功能丈量并显示汽车与障碍物之间的距离,并在分歧距离利用蜂鸣器分歧频率发出分歧声音及时报警.这样驾驶员就能通过测距的显示甚至分歧的声音来直接判断汽车玉障碍物之间的距离.本设计的设计简易,虽然精度不高,还不能丈量过远的距离,但规模小,外围电路简单,调试也方便,本钱也不高,器件更换容易,灵活性高,而且能完全满足驾驶员停车时的需要,可以完全解除驾驶员在倒车过程中的顾虑和困扰,提高停车的平安.汽车防撞装置这种汽车平安辅助装置能年夜年夜减少汽车驾驶员在倒车的时候顾虑和对距离判断的失误,从而能够防止倒车的平安问题的发生,故此装置对提高交通平安将起到重要的作用.所以,本课题所要求设计的基于单片机的汽车防撞装置将具有极年夜的现实意义和市场.1.2 国内外研究现状本汽车防撞装置包括有单片机控制电路、超声波测距传感器、蜂鸣器报警电路及数码管显示部件等,装置将各部件有机地结合起来,实现超声波测距及蜂鸣器报警提示的功能.倒车雷达系统的开始是以蜂鸣器报警为标识表记标帜的.汽车离障碍物距离越近,蜂鸣器报警声越急,蜂鸣器报警虽然使驾驶员知道有障碍物的存在,但却不能确定汽车车尾离障碍物有多远,所以,蜂鸣器报警对驾驶员帮手不是很年夜；之后一个质的飞跃就是液晶屏显示的呈现,特别是液晶显示开始呈现静态显示系统,驾驶员就是只要发动车辆,而且不用挂倒挡,液晶显示器上就会呈现汽车图案以及汽车与周围的障碍物的距离,液晶显示是静态显示,液晶显示器的外表美观,显示的色彩也很清晰,而且可以直接粘贴在仪表盘上,装置也很方便[1].不外由于液晶显示的灵敏度比力高,而且它的抗干扰能力也不是很强,所以误报的情况也较多.现在市面上的魔幻镜倒车雷达应该算是比力先进的倒车雷达了,它结合了前几代产物的优点,并采纳了最新仿生超声雷达技术,并用高速电脑控制,可全天准确地进行探测2m以内的障碍物,并以分歧的声音提示和直观的距离显示来提醒驾驶员；魔幻镜倒车雷达把后视镜、倒车雷达、免提德律风、温度显示和车内空气温度显示等多项功能整合在一起[1],并设计了语音功能,因为其外形就是一块倒车镜,所以可以不占用车内空间,可以直接装置在车内倒视镜的位置,而且它样式种类繁多,可以依照个人需求和车内装饰选配,固然它的价格也是比力贵的[1].最新的一代倒车雷达是整合影音系统,除具备前几代倒车雷达的功能外还兼有影音系统[1].随着科学技术水平的迅速发展,相关电子技术也是飞跃前进,固然,汽车电子财富也获得飞速发展,电子财富的飞速发展使得车载电子平顺产物有很年夜的发展前景.倒车雷达固然是每辆车必备的电子平顺产物,如今市面上的主流的汽车倒车雷达基本都是以单片机芯片为控制核心的智能测距报警系统.这些的倒车雷达能够连续测距并显示汽车与障碍物之间的距离,而且采纳蜂鸣器的分歧频率的鸣叫声进行报警提示和距离显示提示,从而能够尽量不占用驾驶员的视觉空间[1].另外,汽车电子系统的网络化的发展还要求作为汽车行驶平安辅助系统的倒车雷达要具有通信功能,并能够把数据发送到汽车总线上去[2].就目前市面上的产物来讲,目前的汽车倒车雷达主要是具备数码管或者液晶屏的距离显示而且带有蜂鸣器的语音报警为主的汽车平安系统.这些系统主要采纳的是以单片机为控制核心的智能超声波测距传感器和蜂鸣器报警系统,这种汽车平安辅助系统廉价耐用,而且达到了汽车电子系统网络化的发展需求.1.3 课题研究内容及章节安插本文所介绍的超声波测距报警系统在测距的时候采纳的是两个超声波探头分别进行超声波发射和接收来进行距离的丈量的.本设计的汽车防撞系统能丈量出倒车方向的障碍物与汽车之间的距离, 并通过数码管显示单位模块显示两者之间的距离,然后通过蜂鸣器发出分歧频率的声响, 从而起到提示和报警的作用.本系统利用一片89S51单片机对超声波信号循环不竭地进行收集.系统包括超声波测距单位（超声波集成模块）、89S51单片机控制、蜂鸣器报警模块和数码管显示模块.这个设计的汽车倒车雷达要能够连续测距,数据经过单片机的处置后,用4位数码管显示所丈量获得的距离,并利用分歧频率使蜂鸣器发出分歧的鸣叫声进行语音报警.论文构成主要由以下部份组成：第1章主要介绍了本课题的布景意义和相关技术在国内外的研究现状.第2章介绍的是汽车防装系统的总体方案设计.首先介绍汽车防撞系统的设计要求,然后分别对测距传感器的选择和显示报警系统的方案设计做了介绍,最后提出本系统的总体的设计方案,为硬件系统的设计打下了基础.第3章对硬件系统的设计进行了介绍.首先对超声波传感器的工作原理进行了分析,然后具体讨论了超声波测距模块中的超声波发射电路和超声波接收电路的硬件设计,最后介绍了显示模块电路和蜂鸣器报警电路的设计.第4章主要是对系统的软件设计进行了介绍.在软件设计中采纳分歧模块分歧编程进行设计的,本设计分别对系统的主法式模块、中断子法式模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块和数码管的显示模块的各个法式进行了设计.第5章是硬件的组装及其性能进行分析.首先对实物进行硬件排版组装和焊接,然后讨论了系统的性能发生的误差.第6章是对本设计的总结和展望.最后一章对全文进行了总结,并指明了系统设计的缺乏之处,最后也对本系统的倒车雷达报警系统的发展前景进行了展望.2 总体方案论证本章从系统方案等一些方面来进行论证.本设计主要是进行距离的丈量和报警,设计中涉及到的内容较多,主要是将单片机控制模块、超声波测距模块、蜂鸣器报警模块、4位数码管显示模块这几个模块结合起来.而本设计的核心是超声波测距模块,其他相关模块都是在测距的基础上拓展起来的,测距模块是利用超声波传感器,之后选择合适单片机芯片,以下就是从相关方面来论述的. 2.1 设计方案论证2.1.1 测距传感器（1）激光测距传感器激光传感器利用激光的方向性强和传光性好的特点,它工作时先由激光传感器瞄准障碍物发射激光脉冲,经障碍物反射后向各个方向散射,部份散射光返回到接受传感器,能接受其微弱的光信号,从而记录并处置光脉冲发射到返回所经历的时间即可测定距离,即用往返时间的一半乘以光速就能获得距离.其优点是丈量的距离远、速度快、丈量精确度高、量程范围年夜,缺点是对人体存在平安问题,而且制作的难度年夜本钱也比力高[3].（2）红外线测距传感器红外线测距传感器利用的就是红外线信号在遇到障碍物其距离的分歧则其反射的强度也分歧,根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行丈量的.其优点是本钱昂贵,使用平安,制作简单,缺点就是丈量精度低,方向性也差,丈量距离近[3].（3）超声波传感器超声波是一种超越人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波.超声波传感器在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换,当超声波传感器发射超声波时,发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去,当接收超声波时,超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片.超声波具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好还能够为反射线定向传布等优点,而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距[4].在中、长距离丈量时,超声波传感器的精度和方向性都要年夜年夜优于红外线传感器,但价格也稍贵.从平安性,本钱、方向性等方面综合考虑,超声波传感器更适合设计要求.根据对以上三种传感器性能的比力,虽然能明显看出来激光传感器是比力理想的选择,可是它的价格却比力高,而且平安度不够高.而且汽车在行驶的过程中超声波传感器测距时应具有较强的抗干扰能力和较短的响应时间,因此选用超声波传感器作为此设计方案的传感器探头.2.2 系统方案此方案选择51单片机作为控制核心,所测得的距离数值由4位共阳极数码管显示,与障碍物之间的分歧距离利用蜂鸣器频率的分歧报警声提示,超声波发射信号由51单片机的P0.1口送出到超声波发射电路,将超声波发送出去,超声波接收电路由CX20106A芯片和超声波接收探头组成的电路构成,报警系统由蜂鸣器电路构成.本设计中将收发超声波的探头分离这样不会使收发信号混叠,从而能防止干扰,可以很好的提高系统的可靠性.本设计的汽车防撞装置的系统框图如图2.1所示.图2.1 汽车防撞装置的系统框图本设计由Keil编程软件对51单片机进行编程,51单片机在执行法式后由P0.1端口发生40kHz的脉冲信号通过74LS04电路进行放年夜并送到到超声波发射探头,发生超声波.在超声波发射电路启动的同时单片机启动中断按时器,利用其计数的功能记录超声波发射超声波到接收到超声波回波的时间.当接收回射的超声波时,接收电路的输出端发生负跳变输出到单片机发生中断申请,执行外部中断子法式计算距离.结合各方面的因素考虑,依据设计的要求,查阅相关数据资料,选择了超声波测距传感器TR40-16Q（其中T暗示超声波发射探头,R暗示超声波接收探头）,综合考虑设计的要求出于简便角度,选用了HC-SR04超声波集成模块.此超声波模块的最年夜探测距离为 5 m,精度可以达到0.3cm,盲区为2cm,而且发射扩散角不年夜于15°,更有利于测距的准确性.而且,此模块的工作频率范围为39 kHz～41 kHz左右,完全能在40 kHz工作频率工作.由于超声波的发射和接收是分开发送和接收的,所以发射探头和接收探头必需在同一条水平行直线上,这样才华准确地接收反射的回波.而由于丈量的距离分歧和发射扩散角所引起的误差以及超声波信号在空气中传布的过程中的超声波衰减问题,发射探头和接收探头距离不成以太远,而且还要防止发射探头对接收探头在接收信号时发生的干扰,所以二者又不能靠得太近.根据对相关资料查阅,将两探头之间的距离定在5cm～8cm最为合适.本设计所用的HC-SR04模块的超声波探头之间的距离年夜约在6 cm左右.3 硬件电路设计本设计的汽车防撞装置由51单片机、超声波发射探头、超声波接收探头、4位共阳极数码管、蜂鸣器组成.汽车防撞系统的测距是利用超声波测距的原理,在单片机内部法式的控制下,由超声波发射探头发射超声波,在超声波遇到障碍物时反射到超声波接收探头,由此回应到单片机,由单片机进行中断处置和数据的处置,计算出距离,由数码管显示距离,并由蜂鸣器报警提示.本设计的硬件电路分为五部份：单片机最小系统、超声波发射和接收电路、蜂鸣器报警电路和数码管显示电路.3.1 单片机系统设计3.1.1 单片机的选择一般在系统的设计傍边,能否完成设计任务最重要的就在于系统的核心器件是否选择合适,而单片机更是是系统控制的核心,所以对单片机的选择更是异常重要.如果选择了一个合适的单片机不单可以最年夜地简化系统的把持,而且其功能可能是最好的,可靠性也比力高,对整个系统来说更方便.目前,市面上的单片机的种类繁多,而且他们在功能方面也是各自有各自的特点.在一般的情况下来讲,在选择单片机时要需要考虑的几个方面有[5]：（1）单片机最基赋性能参数指标.例如：执行一条指令的速度、法式存储器的容量,I/O口的引脚数量等.（2）单片机的某些增强的功能.（3）单片机的存储介质.例如：对法式存储器来说,最好选用的是Flash的存储器.（4）单片机的封装形式.封装的形式多种多样,例如：双列直插封装、PLCC封装及概况贴附等.（5）单片机对工作的温度范围的要求.例如：在进行设计户外的产物时,就必需要选用工业级的芯片,以达到温度范围的要求.（6）单片机的功耗.例如,如果信号线取电只能提供几mA的电流,所以为了能满足低功耗的要求这个时候选用STC的单片机是最合适的.（7）单片机在市面上的销售渠道是否疏通、其价格是否廉价.（8）单片机技术的支持网站如何,卖家提供的芯片资料是否足够完善,是否包括了用户手册,设计方案举例,相关范例法式等.（9）单片机的保密性是否很好,单片机的抗干扰的性能如何等.51系列单片机它在指令系统、硬件结构和片内资源等方面与标准的52系列的单片机可以完全的兼容.51系列的单片机执行速率快(最高时钟频率为90MHz),功耗低,在系统、在应用可编程,不占用用户的资源[5].根据本系统设计的实际要求,选择AT89S51单片机做为本设计的单片机使用,它是由ATMEL公司生产的高性能、低功耗的CMOS 8位单片机.89S51单片机具有以下几个性能特点：4 k字节的闪存片内法式存储器,128字节的数据存储器,32个外部输入和输出口,2个全双工串行通信口,看门狗电路,5个中断源,2个16位可编程按时计数器,片内震荡和时钟电路且全静态工作并由低功耗的闲置和失落电模式[5].单片机的引脚功能图如图3.1所示.图3.151单片机的引脚功能图3.1.2 单片机引脚功能（1）电源引脚Vcc（40脚）：正电源的引脚,工作电压是5V.GND（20脚）：接地端.（2）时钟电路的引脚XTAL1和XTAL2为了发生时钟信号,在89S51单片机的芯片内部已经设置了一个反相放年夜器,其中XTAL1端口就是片内反相放年夜器的输入端,XTAL2端则是片内振荡器反相放年夜器的输出端 [5].单片机使用的工作方式是自激振荡的方式,XTAL1和XTAL2外接的是12MHz 的石英晶振,使内部振荡器依照石英晶振的频率频率进行振荡,从而就可以发生时钟信号.时钟信号电路如图3.2所示.图3.2 时钟信号电路（3）复位RST（9脚）当振荡器运行时,只要有有两个机器周期即24个振荡周期以上的高电平在这个引脚呈现时,那么就将会使单片机复位,如果将这个引脚坚持高电平,那么51单片机芯片就会循环不竭地进行复位[5].复位后的P0口至P3口均置于高电平,这时法式计数器和特殊功能寄存器将全部清零[5].本课题设计的单片机复位电路如图3.3所示.图3.3 单片机复位电路图（4）输入输出口（I/O口）引脚P0口是一个三态的双向口,既可以作为数据和地址的分时复用口,又可以作为通用输入输出口[5].P0口在有外部扩展存储器时将会被作为地址/数据总线口,此时P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时,P0口也可以作为通用的I/O接口使用,但此时只是一个准双向口；另外,P0口的输出级具有驱动8个LSTTL负载的能力即输出电流不小于800uA[5].P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,而P1口只有通用I/O接口一种功能,而且P1口能驱动4个LSTTL负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口置1时,其内部上拉电阻将端口拉到高电平,作输入端口用[5].对输出功能,在单片机工作的时候,可以通过用法式指令控制单片机引脚输出高电平或低电平[5].例如：指令CLR是清零的意思,CLR P1.0的意思就是让单片机的P1.0端口输出低电平；而指令SETB是置1的意思,SETB P1.0的意思就是让单片机P1.0端口输出高电平[5].P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,而且P2口具有驱动4个LSTTL负载的能力[5].P2端口置1时,内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平,作为输入口使用；在对内部的Flash法式存储器编程时,P2口接收高8位地址和控制信息,而在访问外部法式和16位外部数据存储器时,P2口就送出高8位地址[5].在访问8位地址的外部数据存储器时,P2引脚上的内容在此期间不会改变[5].P3口也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3口能驱动4个LSTTL负载,这8个引脚还用于专门的第二功能[5].P3口作为通用I/O口接口时,第二功能输出线为高电平.P3口置1时,内部上拉电阻将端口电位拉到高电平,作输入口使用；在对内部Flash法式存储器编程时,此端接控制信息[5].P3口的第二功能,如表3.1所示[5].表3.1 P3口第二功能表（5）其它控制或复用引脚（a）ALE/PROG（30脚）：地址锁存有效信号输出端.在访问片外存储器时,ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出,其下降沿用于控制锁存P0口输出的低8位地址；在不访问片外存储器的时候,ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6),而在访问片外数据存储器时,ALE脉冲会跳空一个,此时是不成以做为时钟输出[5].对片内含有EPROM的机型在编程时,这个引脚用于输入编程脉冲/PROG的输入端[5].（b）/PSEN（29脚）：片外法式存储器读选通信号输出端,低电平时有效.当89S51从外部法式存储器取指令或常数时,每个机器周期内输出2个脉冲即两次有效,以通过数据总线P0口读回指令或常数.但在访问片外数据存储器时,/PSEN将不会有脉冲输出[5].（c）/EA/Vpp（31脚）：/EA为片外法式存储器访选用端.当该引脚访问片外法式存储器时,应该输入的是低电平,要使89S51只访问片外法式存储器,这时该引脚必需坚持低电平；而在对Flash存储器编程时,用于施加Vpp编程电压[5].3.1.3单片机最小系统单片机最小系统是其他拓展系统的最基本的基础,单片机最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统即单片机能工作的系统.对80S51单片机,由于片内已经自带有了法式存储器,所以只要单片机外接时钟电路和复位电路就可以组成了单片机的最小系统了.单片机的最小系统如图3.4所示.图3.4 单片机最小系统原理图3.2 超声波发射和接收电路设计超声波是一种振动频率超越20 kHz的机械波,它可以沿直线方向传布,而且传布的方向性好,传布的距离也较远,在介质中传布时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会发生反射波[6].由于超声波的以上几个特点,所以超声波被广泛地应用于物体距离的丈量、厚度等方面[6].而且,超声波的丈量是一种比力理想的的非接触式的测距方法[6].当进行距离的丈量时,由装置在同一水平线上的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收,而且同时启动按时器进行计数[7].首先由超声波发射探头向倒车的方向发射超声波并同时启动按时器计时,超声波在空气中传布的途中一旦遇到障碍物后就会被反射回来,当接收探头收到反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时[6.7].这样,按时器就能够准确的记录下了超声波发射点至障碍物之间往返传布所用的时间t（s）[7].由于在常温下超声波在空气中的传布速度年夜约为340m/s[7],所以障碍物到发射探头之间的距离为：S=340×t/2=170×t因为单片机内部按时器的计时实际上就是对机器周期T的计数,而本设计中时钟频率fosc取12MHz,设计数值N,则：T＝12/f osc=1μst=N×T＝N×0.000001（s）S＝170×N×T＝170×N/1000000（m）在法式中按式S＝170×N×T＝170×N/1000000计算距离.3.2.1 超声波发射电路设计超声波发射电路是由超声波探头和超声波放年夜器组成.超声波探头将电信号转换为机械波发射出去,而单片机所发生的40 kHz的方波脉冲需要进行放年夜才华将超声波探头驱动将超声波发射出去,所以发射驱动实际上就是一个信号的放年夜电路,本设计选用74LS04芯片进行信号放年夜,超声波发射电路如图3.5所示.图3.5 超声波发射电路。
基于单片机的超声波测距仪论文
毕业设计（论文）题目：基于单片机的超声波测距仪摘要在空气介质中超声测距传感器因其性能好，价格低廉、使用方便，在现场机器人定位系统、车辆自动导航、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理和高速公路管理监测系统，以及河道、油井和仓库及料位的探测中都有应用。
由于超声波传播不易受干扰，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，如测距和物位测量等都可以通过超声波来实现。
为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。
本设计介绍了基于单片机控制的超声测距的原理：由STC89C52控制定时器产生一定频率脉冲，计算从发射到接收回波时间，从而得到实测距离，数据处理采用，显示距离，语音播报。
关键词：超声波，距离测量，语音播报，单片机ABSTRACTIn the air medium, ultrasonic range finder sensor because of its good performance, low price, convenient use, in the field of robot positioning system, automatic vehicle navigation, vehicle safety driving assist system, city traffic management and management of expressway monitoring system, as well as river, well and warehouse and material level detection used in. Because the ultrasonic wave propagation is not susceptible to interference, energy consumption slow, medium of communication in the longer distance, which are often used for ultrasonic distance measurement, such as the location and level measurement can be achieved by ultrasound. Therefore, in-depth study of ultrasonic generation and propagation, the development of high performance ultrasonic transducer and its transceiver circuit, the ultrasonic detection technology development has very important real sense. This article introduces the design of control based on single chip ultrasonic ranging principle: control by STC89C52 timer produces a certain frequency pulse, calculated from transmitting to receiving echo time, so as to obtain the measured distance, data processing using the temperature compensation, four digital tube display distance, voice broadcast.KEYWORDS: ultrasonic, range measurement, voice broadcast, singlechip目录第1章绪论 ...................................................................................................................................1.1 课题设计目的及意义...........................................................................................1.1.1设计的目的............................................................................................................1.1.2设计的意义............................................................................................................1.2 国内外研究动态...................................................................................................1.3 本课题研究的主要内容....................................................................................... 第2章总体方案 ..........................................................................................................................2.1 方案选择................................................................................................................2.2 超声波测距仪的设计思路 ..................................................................................2.2.1 超声波测距原理 .................................................................................................2.2.2 超声波测距原理框图........................................................................................2.3 使用元件选择 ....................................................................................................... 第3章系统的硬件结构设计....................................................................................................3.1 STC89C52单片机的功能及特点........................................................................3.2 单片机最小系统...................................................................................................3.3 语音播报................................................................................................................3.4 显示单元................................................................................................................ 第4章系统的软件设计.............................................................................................................4.1 主程序流程图 .......................................................................................................4.2 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 .....................................................第5章超声波测距接收.............................................................................................................5.1 HC-SR04模块.......................................................................................................5.2 T40、R40超声波传感器简介.............................................................................5.2.1 超声波传感器的基本介绍...............................................................................5.2.2 超声波传感器的主要应用...............................................................................5.2.3 超声波传感器的工作原理...............................................................................5.3 超声波发射电路...................................................................................................5.4 超声波接收电路...................................................................................................5.5 超声波接收过程...................................................................................................5.6 接收数据处理 ....................................................................................................... 第6章总结...................................................................................................................................... 致谢............................................................................................................................................... 参考文献 .......................................................................................................................................... 附录1原理图................................................................................................................................. 附录2主要源程序........................................................................................................................ 诚信声明第1章绪论1.1 课题设计目的及意义1.1.1设计的目的随着科学技术的快速发展，超声波在测距中的应用越来越广。
超声波测距仪的设计毕业论文设计
摘要随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。
还有在很多要时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。
于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。
超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。
而且超声波传播速度在相当大围与频率无关。
超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。
目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体气孔大小的检测和机械部损伤的检测等。
在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。
此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。
随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。
目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。
与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。
（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。
（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。
因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。
关键词：超声波；测距；电子电路AbstractWith the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging method can't finish the task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a complete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people.At present the demand for ultrasonic accurate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely application. In addition, in material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in.Along with the computer technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is becoming more and more important Compared with other ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages:(1) to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identifytransparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body).(2) ultrasonic outside light and the electromagnetic fields to not sensitive, and can be used in the dark, dust or smoke, electromagnetic interference is strong, such as toxic bad environment.(3) ultrasonic sensor simple structure, small volume, low cost, technical difficulties small, information processing, simple and reliable easy to miniaturization and integration. Performance optimization; Performance simulation; Automatic exchange optical networkKey Words:Ultrasonic；ranging；electronic circuit目录第1章绪论 (1)1.1 课题背景及设计意义 (1)1.2 本课题研究的主要容 (2)第2章系统方案论证 (4)2.1 超声波测距仪的设计原理 (4)2.2 超声波测距技术选型 (4)2.3 控制器选型 (6)2.3.1 单片机选型 (7)2.3.2 AT89S51主要性能参数及功能 (8)2.4 超声波发生器选型 (8)2.5 超声波接收传感器选型 (9)2.6 显示单元选型 (9)2.7 语音播报电路选型 (10)2.8 温度传感器的选型 (10)第3章系统的硬件结构设计 (12)3.1 单片机最小系统 (12)3.2 超声波发射电路 (13)3.3 超声波检测接收电路 (15)3.4 显示单元电路 (16)3.5 语音播报电路 (18)3.6 电源电路设计 (20)第4章系统的软件设计 (22)4.1 超声波测距仪的算法分析 (22)4.2 主程序流程图 (22)4.3 超声波发生子程序和超声波接收程序 (24)第5章系统调试仿真 (26)5.1 PROTEUS软件简介 (26)5.2 仿真调试结果 (27)第6章总结与展望 (29)参考文献 (30)致谢 (31)附录程序清单 (32)第1章绪论利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。
超声波测距仪论文
超声波测距仪论文romoting the construction of rule of law, but also the most basic development environment. Despite my good social order in General, but there are law-abiding consciousness, social order is not standard, regardless of faith, Twining visit visit and other outstanding problems. We want to actively promote the field of multi-level governance according to law, promote the continuous improvement of the social environment. To promote universal compliance. Actively foster the rule of law culture, carry out law publicity and education on honesty and trustworthiness, guide the masses and consciously abide by the law, failing to find method, problem-solving method, method of gradually changing the world, he is not looking for but someone "unspoken rules", formed all law law, abide by the good atmosphere. To strengthen the comprehensive management of public security. Deepening peace xingan construction, strongly against violence crime, mafia and seriouscriminal offences, to protect the legitimate rights and interests of citizens, legal persons, carry out criminal policy of temper justice with mercy, the maximum stimulating social vitality, and earnestly safeguard social harmony and stability. To resolve social conflicts by law. To further smooth channels of reporting social conditions andpublic opinion, improving regulation, arbitration, as well 班级 08341学号 08341035题目超声波测距仪的设计学院长安学院专业电气工程及其自动化学生姓名吴青青导师姓名邹洼牢romoting the construction of rule of law, but also the most basic development environment. Despite my good social order in General, but there are law-abiding consciousness, social order is not standard, regardless of faith, Twining visit visit and other outstanding problems. We want to actively promote the field of multi-level governance according to law, promote the continuous improvement of the social environment. To promote universal compliance. Actively foster the rule of law culture, carry out law publicity and education on honesty and trustworthiness, guide the masses and consciously abide by the law, failing to find method, problem-solving method, method of gradually changing the world, he is not looking for but someone "unspoken rules", formed all law law, abide by the good atmosphere. To strengthen the comprehensive management of public security. Deepening peace xingan construction, strongly against violence crime, mafia and seriouscriminal offences, to protect the legitimate rights and interests of citizens, legal persons, carry out criminal policy of temper justice with mercy, the maximum stimulating social vitality, and earnestly safeguard social harmony and stability. To resolve social conflicts by law. To further smooth channels of reporting social conditions andpublic opinion, improving regulation, arbitration, as well romoting the construction of rule of law, but also the most basic development environment. Despite my good social order in General, but there are law-abiding consciousness, social order is not standard, regardless of faith, Twining visit visit and other outstanding problems. We want to actively promote the field of multi-level governance according to law, promote the continuous improvement of the social environment. To promote universal compliance. Actively foster the rule of law culture, carry out law publicity and education on honesty and trustworthiness, guide the masses and consciously abide by the law, failing to find method, problem-solving method, method of gradually changing the world, he is not looking for but someone "unspoken rules", formed all law law, abide by the good atmosphere. To strengthen the comprehensive management of public security. Deepening peace xingan construction, strongly against violence crime, mafia and seriouscriminal offences, to protect the legitimate rights and interests of citizens, legal persons, carry out criminal policy of temper justice with mercy, the maximum stimulating social vitality, and earnestly safeguard social harmony and stability. To resolve social conflicts bylaw. To further smooth channels of reporting social conditions andpublic opinion, improving regulation, arbitration, as well 毕业设计(论文)诚信声明书本人声明:本人所提交的毕业论文《超声波测距仪的设计》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明;有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
(完整版)超声波测距仪学士毕业设计
超声波测距仪毕业论文中文摘要电子测距仪要求测量范围在50cm~500cm，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。
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。
超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。
我的超声波测距仪设计采用74hc04反相器和CX20106搭接电路实现了超声波的发射与接收。
采用AT89C51单片机为该测距仪的控制核心，此设计易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。
关键词：超声波传感器，单片机，测距仪ABSTRACTElectronic distance measurement instrument for measurement in the range of 20cm-2.5m, precision 1cm, with the measurement of the measured object without direct contact, can clearly demonstrate the stability of the measurement results. Because of the strong point of ultrasonic energy consumption, slow, medium of communication in the longer distance, which are often used for ultrasonic distance measurement. Such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Ultrasonic ranging, can be applied to car parking, construction sites and some industrial site location monitoring, and can also be used for liquid level, depth, pipe length measurement occasions. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient, simple, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry. In the mobile robot has been developed on a wide range of applications. My car anti-collision anti-theft alarm system design using 74hc04inverter and CX20106lap circuit to realize the ultrasonic transmitter and receiver. Using AT89C51 SCM as the control core of the range finder, this design easy debugging, low cost, has the very strong practical value and good market prospects. Key words: ultrasonic sensor, single chip microcomputer, range finder,目录第一章绪论 .............................................................................................................................................. - 1 - 1.1 设计项目概述 ..................................................................................................................................... - 1 - 1.2 设计要求 ............................................................................................................................................. - 1 - 1.3 超声波测距原理 ................................................................................................................................. - 1 - 第二章超声波测距仪的内容及意义 ...................................................................................................... - 3 - 2.1 超声波测距仪的意义 ......................................................................................................................... - 3 - 2.2超声波测距仪的内容 .......................................................................................................................... - 3 - 第三章系统方案选择 .............................................................................................................................. - 3 - 3.1 方案一 ................................................................................................................................................. - 4 - 3.2 方案二 ................................................................................................................................................. - 4 - 3.3 方案确定 ............................................................................................................................................. - 4 - 第四章系统硬件电路设计 ...................................................................................................................... - 4 - 4.1单片机模块 .......................................................................................................................................... - 4 -4.1.1 AT89C51标准功能 .................................................................................................................. - 5 -4.1.2管脚说明................................................................................................................................... - 6 - 4.2超声波谐振频率调理电路模块 .......................................................................................................... - 7 - 4.3超声波回路接收处理电路模块 .......................................................................................................... - 8 - 4.4数码管显示模块 .................................................................................................................................. - 8 - 第五章系统软件程序设计 ...................................................................................................................... - 9 -5.1 超声波测距程序设计 ......................................................................................................................... - 9 - 5.2 超声波测距流程图 ........................................................................................................................... - 10 - 第六章系统软硬件调试 ........................................................................................................................ - 10 -6.1 硬件调试 ........................................................................................................................................... - 10 - 6.2 软件调试 ........................................................................................................................................... - 11 - 6.3 测试结果 ........................................................................................................................................... - 11 - 第七章调试中遇到的问题 .................................................................................................................... - 11 -7.1 发射接收时间对测量精度的影响分析 ........................................................................................... - 11 - 7.2 当地声速对测量精度的影响分析 ................................................................................................... - 12 - 总结 ........................................................................................................................................................ - 13 - 参考文献 .................................................................................................................................................. - 14 -附录A ....................................................................................................................................................... - 0 - 附录B ........................................................................................................................................................ - 0 - 致谢 ........................................................................................................................................................ - 6 -第一章绪论声波在其传播介质中被定义为纵波。
超声波测距-毕业设计论文完整版.doc
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，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STC12C2052 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20厘米。
关键词：超声波；测距；单片机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 ultrasonic, 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 STC12C2052.The theory is based on the principles of reflection of ultrasonic 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 module. 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 disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the blind spot of 20 cm。
超声波测距仪的设计 本科毕业设计(论文)
本科毕业设计（论文）摘要本设计采用以AT89S58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。
整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接受子程序、显示子程序、语音播报子程序等模块组成。
发射模块发射超声波，接受模块接受回波，单片机计算距离，显示测量结果。
各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。
在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。
相关部分附有硬件电路图、程序流程图。
超声波测距今年来得到了广泛的应用。
本设计的优点在于超声波明显特征是方向性好，穿透性强。
尤其是在光不透明的固体中，它碰到杂质或分界面就有显著地反射。
用超声波测距离时通过测量发射的超声波与接受到被测物体反射的回波之间的时间差来确定的。
关键词：AT89S51，超声波，测距Wireless Transmission of Ultrasonic RangefinderAbstractAt the core of the design using AT89S51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that the ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module.A precision measuring distance design using ultrasonic technology is introduced in the article. Upon ultrasonic, good diretional ity and deep penetrability are two pearentfeatures, especially in nontrans parent solid body. Trasonic measurement the equation of time which is caused by the flexed return wave.Key words: AT89S51, Silent Wave, Measure Distance目录第一章绪论 (1)1.1课题设计目的及意义 (1)1.1.1设计的目的 (1)1.1.2设计的意义 (1)1.2超声波测距仪的现状和发展 (1)1.2.1发展历史 (1)1.2.2 研究现状 (3)1.3本课题研究的主要内容 (3)第二章系统方案论证 (4)2.1超声波测距仪的设计思路 (4)2.1.1超声波测距原理 (4)2.1.2超声波测距仪原理框图 (4)2.1.3课题设计的要求 (4)2.2超声波测距方法的选择 (4)2.3超声波发生器选择 (6)2.4超声波接受传感器 (6)2.5显示单元选择 (6)2.6语音播报电路选择 (7)2.7温度传感器的选择 (7)第三章系统的硬件结构设计 (9)3.1 AT89S51单片机的功能及特点 (9)3.1.1主要性能参数 (9)3.1.2功能特性概述 (9)3.2单片机最小系统 (10)3.3单片机测距原理 (11)3.4超声波发射电路 (12)3.5超声波检测接收电路 (13)3.6温度补偿电路 (14)3.7显示单元电路 (15)3.7.1 12864液晶资料 (16)3.7.2 12864液晶基本特性 (16)3.8语音播报电路 (17)3.9无线发射与接收电路 (18)3.9.1APC240无线通信模块主要特点 (18)3.9.2APC240无线通信模块主要技术指标 (19)第四章系统的软件设计 (20)4.1超声波测距仪的算法设计 (20)4.2主程序流程图 (20)4.3超声波发生子程序和超声波接收中断程序 (22)4.4系统的软硬件的调试 (24)总结 (25)致谢 (27)参考文献 (28)附录一超声波测距电路原理图 (30)附录二程序清单 (31)第一章绪论1.1课题设计目的及意义1.1.1设计的目的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。
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超声波测距仪设计论文毕业论文目录前言.............................................. 错误!未定义书签。
第一章超声波测距系统工作原理 (3)第一节超声波概述 (3)第二节超声波传感器简介 (4)一、压电式超声波传感器 (4)第三节超声波传感器原理 (6)一、测距原理 (6)二、超声波测量中盲区及近限和远限 (6)三、提高测距仪的措施 (7)第四节超声波测距仪系统设计 (8)一、论文设计容 (8)二、硬件设计容 (8)第五节本章小结 (9)第二章系统硬件设计 (10)第一节电路原理设计 (10)一、设计总体思路 (10)第二节主要元器件介绍 (10)一、单片机STC89C52 (10)二、超声波传感器HC-SR04 (12)三、显示电路LCD1602 (14)四、按键电路 (21)五、下载电路 (21)第三节本章小结 (22)第三章系统软件设计 (24)第一节软件设计总体方案 (24)一、主程序设计总体思路 (24)二、测距子程序软件设计 (25)三、显示程序设计 (26)四、按键程序设计 (28)第二节本章小结 (30)第四章超声波测距的误差分析 (31)第一节超声波测距测量结果 (31)一、测量结果 (31)二、误差分析 (31)第二节本章小结 (33)结论.............................................. 错误!未定义书签。
致谢.............................................. 错误!未定义书签。
参考文献.. (34)附录 (35)一、英文原文 (35)二、英文翻译 (41)三、电路图 (46)四、源程序 (47)第一章超声波测距系统工作原理第一节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波。
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344m/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，取决于这两种介质的声阻抗之比。
声阻抗定义为传声介质的密度ρ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(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由于介质耗所产生的吸收衰减。
第二节超声波传感器简介一、压电式超声波传感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。
超声波发生器部结构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。
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[3]。
逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质部正负电荷中心发生位置变化，这种位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，晶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，若把晶体耦合到弹性介质中，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电介质施加应力时，产生的变形将引起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，称为接收换能器。
1、超声波传感器频率特性图1.1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1.1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1.1 超声波发射传感器的发射频率特性2、超声波传感器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。
指向特性用指向图表示。
下图1.2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Ф=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1.2所示。
图1.2 超声波传感器指向特性图第三节超声波传感器原理一、测距原理超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法等。
相位检测法虽然精度高，但检测围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。
本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。
往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。
而所测距离是声波传输距离的一半，即公式（1.3.1），L= vt/2 (1.3.1) 在上式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为往返时间。
若要求测距误差小于0.lm，已知声速v=344m/s(20℃时)。
显然，直接用秒表测时间是不现实的。
因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。
二、超声波测量中盲区及近限和远限用往返时间检测法测量距离时，障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近，存在着距离测量的近限和远限[1]。
距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因。
在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限所以存在的原因。
在使用一个探头同时充当发射和接收的情况下，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长的时间，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量，同时，探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近处的液面反射信号也达不到限幅电路的限幅电平。
当液面离探头越来越远时，接收信号与发射信号相隔时间越来越长，其幅值相应的越来越小。
同时，接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多。
为了保证一定的信噪比，接收信号需要规定一个值，接收信号必须大于这个值，才能有输出信号。
这就构成了远限的问题。
在使用一个探头的情况下，发射信号的幅值要维持到低于引起探头振动时，接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能够明显地分辨出来。
所以把这段时间规定为盲区时间。
当开始计时，测量超声波在空气中的传播时间才有效。
但是，当探测距离很远时，为了增大发射功率，须采用特殊形式的大功率超声发射传感器，但这些传感器的接收灵敏度一般很低，甚至无法用于接收，在这种情况下，选用两个换能器分别用于发送和接收。
而使用双探头方式，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。
由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。
但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过它要比单探头方式的盲区小很多。
所以，在本实验中，我们选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离精度。
三、提高测距仪的措施1、声速校正要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速c必须恒定，实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。