超声波测距仪的设计
毕业设计方案超声波测距仪的设计方案
毕业设计方案超声波测距仪的设计方案1. 引言超声波测距仪是一种常用的测量设备，可以通过发送超声波信号并接收回波来测量距离。
本文将介绍一种基于超声波的测距仪设计方案，用于毕业设计项目。
2. 设计目标本设计方案的主要目标是设计一种精确、稳定、成本效益高的超声波测距仪。
具体而言，设计要求如下：- 测距范围：至少10米- 测量精度：在0.5%以内- 响应时间：小于100毫秒- 成本：尽可能低廉- 可靠性：能够在不同环境条件下稳定工作3. 设计原理超声波测距仪的工作原理是利用超声波在空气中传播速度恒定的特性，通过测量超声波的往返时间来计算距离。
一般来说，超声波测距仪由发射模块和接收模块组成。
发射模块：发射模块用于发送超声波信号，通常由脉冲发生器和超声波发射器组成。
脉冲发生器用于产生短暂的高频脉冲信号，驱动超声波发射器将信号转换成超声波信号并发射出去。
接收模块：接收模块用于接收反射回来的超声波信号，并将其转换成电信号。
接收模块一般由超声波接收器和信号处理电路组成。
超声波接收器将接收到的超声波信号转换成电信号，并通过信号处理电路进行放大、滤波和波形整形等处理，得到可用的测量信号。
距离计算：通过测量超声波的往返时间，可以计算出距离。
超声波在空气中的传播速度约为340米/秒，因此距离可以通过距离等于速度乘以时间的公式来计算。
4. 硬件设计硬件设计是实现超声波测距仪的关键。
以下是硬件设计方案的主要组成部分：超声波发射器和接收器：选择适当的超声波发射器和接收器是关键。
一般来说，发射器和接收器的频率应该相同，常见的频率有40kHz和50kHz。
此外，发射器和接收器需要具有相匹配的电特性，以确保信号的传输和接收的准确性。
脉冲发生器：脉冲发生器的设计应考虑到发射模块的需求，需要产生高频、短暂的脉冲信号。
常用的脉冲发生器电路有多谐振荡电路和555定时器电路等。
信号处理电路：接收到的超声波信号需要进行处理，以便得到可用的测量信号。
基于超声波技术的距离测量仪器设计
基于超声波技术的距离测量仪器设计随着科技的不断进步，距离测量技术也在不断发展。
其中，基于超声波技术的距离测量仪器具有广泛的应用前景。
本文将介绍基于超声波技术的距离测量仪器的设计。
首先，我们需要了解什么是超声波。
超声波是一种频率高于人类听力范围的声波，通常在20kHz以上。
利用超声波进行距离测量的原理是先发射一定频率的超声波，然后通过接收器接收反射回来的超声波，并根据往返时间来计算出距离。
基于超声波技术的距离测量仪器的设计主要包括三个部分：超声波发射器、超声波接收器和信号处理器。
超声波发射器是用来发射超声波的装置。
它通常由压电晶体构成，当施加电压时，晶体振动并发出超声波。
为了确保发射的超声波具有一定的频率和强度，我们需要选择适当的晶体和供电电路。
超声波接收器是用来接收反射回来的超声波的装置。
它也由压电晶体构成，当超声波碰撞到晶体上时，晶体会产生电荷。
这些电荷经过放大电路放大后，被送入信号处理器进行处理。
信号处理器是用来计算距离的装置。
它可以根据超声波发射到接收的时间差来计算出距离。
具体来说，信号处理器会记录下超声波发射的时间点和接收到超声波的时间点，并计算它们之间的时间差。
然后，根据声波在空气中的传播速度，即声速，可以得出距离。
当然，在设计基于超声波技术的距离测量仪器时，还需要考虑到一些其他因素。
例如，超声波在不同介质中的传播速度会有所不同，因此需要根据实际情况进行修正。
此外，还需要考虑到信号的干扰和噪声等问题，以确保测量结果的准确性。
综上所述，基于超声波技术的距离测量仪器是一种非常有用的测量工具。
它可以应用于各种领域，如工业自动化、建筑测量、机器人导航等。
随着技术的不断进步，基于超声波技术的距离测量仪器的性能和精度也在不断提高，将为我们的生活带来更多便利。
超声波测距仪的设计
1绪论1．1 超声波测距原理测量距离的方法有很多种，短距离的可以用米尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF （time of flight ），也可以称为回波探测法，如图1所示。
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，超声波在介质中传播，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。
根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。
根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。
而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s 这里取整数)，根据计时器记录的时间就可以计算出发射点距障碍物的距离，公式340*/2S t 。
图1-1 超声波测距原理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。
表1-1 声速与温度的关系 温度(℃) －30 －20 －10 0 10 20 30 100 声速(m/s)3133193253233383443493861.2整体设计示意图整体设计示意图如图1-2所示图1-2整体设计示意图根据总体设计图，可以设想根据超声波发射与接收器模块在工作时发射超声波到接收反射回的回波后，并将发射超声波与接收回波的状态信号传输到单片机，再经过单片机内部程序的处理，并将计算结果以数据的形式由单片机I/O 接口传输到LCD 液晶显示屏并显示出测量结果的数据，同时由软件控制测量距离在某一临界值时单片机会向报警电路输出报警信号，使报警电路正常工作。
再结合单片机周围控制电路和下载供电电路，实现对单片机的程序的编译写入和修改。
超声波测距仪的设计与调试-接收部分PPT培训课件
如何实现高精度的测距，以及在多障碍物环境下如何准确判断障碍物的 位置和距离。
实际应用案例二
案例名称
机器人避障系统
描述
在机器人避障系统中，通过安装超声波测距仪，机器人能够实时感 知周围环境，检测障碍物的距离，自动调整行进路线，实现自主避 障。
技术难点
如何处理复杂环境下的噪声干扰，以及如何提高测距的实时性和准确 性。
接收部分的软件设计
数据采集
编写软件程序，通过ADC （模数转换器）实时采集 接收到的超声波信号数据。
信号处理算法
根据实际情况，设计适当 的信号处理算法，如滤波、 去噪、特征提取等，以提 高测距精度。
数据输出
将处理后的数据输出到显 示界面或通过串口发送到 上位机进行进一步处理。
03 超声波测距仪接收部分调 试
实际应用案例三
案例名称
管道检测系统
描述
在管道检测系统中，通过将超声波测距仪搭载在管道检测 设备上，能够实时检测管道内部的状况，如管道的腐蚀程 度、堵塞情况等。
技术难点
如何克服管道内部的复杂环境，如液体、气体等对超声波 传播的影响，以及如何提高测距的精度和稳定性。
THANKS FOR WATCHING
此外，随着物联网和智能传感器技术的发展，超声波测距仪 在智能家居、智能安防等领域的应用也越来越广泛。
超声波测距仪的发展趋势
未来，随着材料科学、微电子技术和算法的进步，超声波测距仪将朝着 更小、更轻、更准确的方向发展。
新型材料和制造工艺的应用将有助于减小测距仪的体积和重量，提高其 便携性和灵活性。同时，随着算法的改进和数据处理能力的提升，超声
等措施。
测量误差大
总结词
测量误差大是超声波测距仪常见的问 题之一，表现为测量结果与实际距离 存在较大偏差。
超声波测距仪的设计方案
软件算法优化
实验结果有效
采用时间戳和温度补偿的方法，提高了超 声波测距的精度和稳定性。
经过实验验证，该超声波测距仪的测量误 差在3mm以内，满足设计要求。
研究不足与展望
实验环境限制 硬件性能提升 软件算法优化 应用领域扩展
本次实验主要在室内环境下进行，对于室外复杂环境下的测量 精度和稳定性还需要进一步验证。
[2] 王晓华, 钱燕. 基于单片机的超声波测距 仪设计[J]. 仪表技术与传感器, 2020,(04): 56-60.
[3] 张志超, 王琳. 嵌入式超声波测距 仪的设计与实现[J]. 仪表技术与传感 器, 2021,(01): 78-82.
THANKS 感谢观看
可以考虑采用更高性能的单片机和传感器，以提高超声波测距 的精度和响应速度。
可以进一步优化软件算法，例如加入目标识别和跟踪功能，提 高超声波测距的应用范围。
超声波测距技术在机器人避障、自动驾驶、安防等领域都有广 泛的应用前景，可以进一步拓展应用领域。
07 参考文献
参考文献
[1] 张涛, 王超. 超声波测距仪的设计与 实现[J]. 电子测量技术, 2019, 42(11): 105-109.
计算距离
通过测量超声波从发射到 接收的时间，计算出距离 。时间乘以声速得到距离 。
数据处理及存储
数据处理
对采集到的数据进行处理，如滤波、去噪等，以提高测量精度。
数据存储
将处理后的数据存储到存储器中，方便后续分析和处理。
人机交互界面设计
显示测量结果
通过液晶显示屏或LED显示屏显 示测量结果。
按键输入
研究超声波测距仪的设计方案 有助于提高测量精度和可靠性 ，推动相关领域的发展。
超声波测距系统的设计
超声波测距系统的设计引言：一、硬件设计：1.选择传感器：超声波传感器是测距系统的核心部件，通常采用脉冲法进行测量。
在选择传感器时，应考虑工作频率、测量范围、精度和稳定性等参数，并根据实际需求进行选择。
2.驱动电路设计：超声波传感器需要高频信号进行激励，设计驱动电路时需要根据传感器的工作要求来设计合适的电路，保证信号稳定且能够满足传感器的工作需求。
3.接收电路设计：超声波传感器产生的脉冲回波需要经过接收电路进行信号放大和滤波处理，设计接收电路时需要考虑信号放大的增益、滤波器的截止频率以及抗干扰能力等因素。
4.控制板设计：控制板是超声波测距系统中的核心控制器，负责控制测距过程、数据处理以及通信等功能。
在设计控制板时，应根据系统的要求选择合适的微控制器或单片机，并设计合理的电路布局和电源电路。
二、软件编程：1.驱动程序开发：根据传感器的规格书和数据手册，编写相应的驱动程序，实现对超声波传感器的激励和接收。
2.距离计算算法开发：通过测量超声波的往返时间来计算距离，根据声速和时间的关系进行距离计算，并根据实际情况对计算结果进行修正。
3.数据处理和显示：根据实际需求，对测量得到的距离进行处理，并将结果显示在合适的显示设备上，如LCD屏幕或计算机等。
4.数据通信：如果需要将测量结果传输至其他设备或系统，则需要编写相应的数据通信程序，实现数据的传输和接收。
三、系统测试与优化：1.测试传感器性能：测试测距系统的稳定性、精度和灵敏度等性能指标，根据测试结果对系统参数进行优化和调整。
2.系统校准：超声波测距系统可能受到环境温度、湿度和声速等因素的影响，需要进行校准以提高测量精度。
3.系统集成与实际应用：将超声波测距系统与实际应用场景进行集成，进行实际测试和验证。
总结：超声波测距系统的设计包括硬件设计和软件编程两个方面，其中硬件设计主要包括传感器选择、驱动电路设计和接收电路设计等；软件编程主要包括驱动程序开发、距离计算算法开发、数据处理和显示以及数据通信等。
超声波测距设计毕业设计
超声波测距设计毕业设计一、引言距离测量在许多领域都具有重要的应用，如工业自动化、机器人导航、汽车防撞等。
超声波测距作为一种非接触式的测量方法，具有测量精度高、响应速度快、成本低等优点，因此在实际工程中得到了广泛的应用。
本次毕业设计旨在设计一种基于超声波的测距系统，实现对目标物体距离的准确测量。
二、超声波测距原理超声波是一种频率高于 20kHz 的机械波，其在空气中的传播速度约为 340m/s。
超声波测距的原理是通过发射超声波脉冲，并测量其从发射到接收的时间间隔，然后根据声速和时间间隔计算出目标物体与传感器之间的距离。
假设发射超声波脉冲的时刻为 t1，接收到回波的时刻为 t2，声速为c，距离为 d，则距离 d 可以通过以下公式计算：d ＝ c ×（t2 t1) ／ 2三、系统硬件设计（一）超声波发射模块超声波发射模块主要由超声波换能器和驱动电路组成。
超声波换能器将电信号转换为超声波信号发射出去，驱动电路则提供足够的功率和电压来驱动换能器工作。
（二）超声波接收模块超声波接收模块主要由超声波换能器、前置放大器、带通滤波器和比较器组成。
换能器将接收到的超声波信号转换为电信号，前置放大器对信号进行放大，带通滤波器去除噪声和干扰，比较器将信号整形为方波信号。
（三）控制与处理模块控制与处理模块采用单片机作为核心，负责控制超声波的发射和接收，测量时间间隔，并计算距离。
同时，单片机还可以将测量结果通过显示模块进行显示，或者通过通信模块与上位机进行通信。
（四）显示模块显示模块用于显示测量结果，可以采用液晶显示屏（LCD）或数码管。
（五）电源模块电源模块为整个系统提供稳定的电源，包括 5V 和 33V 等不同的电压等级。
四、系统软件设计（一）主程序流程系统上电后，首先进行初始化操作，包括单片机的初始化、定时器的初始化、端口的初始化等。
然后进入主循环，不断地发射超声波脉冲，并等待接收回波。
当接收到回波后，计算距离，并进行显示或通信。
超声波测距仪课程设计
超声波测距仪课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解超声波的基本概念，掌握超声波在空气中的传播速度及计算方法。
2. 学生能描述超声波测距仪的原理，了解其组成部分及工作过程。
3. 学生能运用数学知识，根据超声波的反射时间计算出距离。
技能目标：1. 学生能够使用超声波测距仪进行实验操作，并正确读取数据。
2. 学生能够通过小组合作，进行简单的超声波测距仪组装和调试。
3. 学生能够运用所学的知识，设计并实施简单的距离测量实验。
情感态度价值观目标：1. 学生能够培养对物理现象的好奇心，提高对科学技术的兴趣。
2. 学生通过动手实践，培养解决问题的能力和创新精神。
3. 学生能够认识到超声波测距技术在现实生活中的应用，提高学习的社会责任感。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为物理学科实验课，适用于八年级学生。
学生在前期已经学习了声音的传播、速度计算等基础知识。
课程以实验操作为主，注重培养学生的动手能力和实际应用能力。
教学要求以学生为主体，教师为主导，引导学生主动探究，发挥学生的主观能动性。
二、教学内容1. 理论知识：- 声波基本概念复习：声波传播、速度计算。
- 超声波特性：频率、波长、传播速度。
- 超声波测距原理：回声定位、时间差法。
2. 实践操作：- 超声波测距仪的构造：探头、发射接收器、显示屏。
- 实验步骤：安装、调试、测量、数据处理。
- 实验注意事项：安全操作、数据准确性。
3. 教学大纲安排：- 第一课时：复习声波知识，介绍超声波特性。
- 第二课时：讲解超声波测距原理，展示测距仪构造。
- 第三课时：分组实验，动手操作超声波测距仪。
- 第四课时：分析实验数据，讨论测量误差原因。
4. 教材章节：- 《物理》八年级下册：第二章 声现象，第四节 声的利用。
- 《物理实验》八年级下册：实验十二 超声波测距。
教学内容确保科学性和系统性，结合课程目标，注重理论与实践相结合，提高学生对超声波测距技术的理解和应用能力。
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超声波测距仪的设计摘要：电子测距仪要求测量范围在0.10～5.00m，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。
该测距仪采用NE555电路、两级放大电路和电平比较电路实现了超声波的发射与接收。
单片机为该测距仪的核心单元，实现发射电路的控制和接收数据的处理。
本系统在10～200cm的距离内测量精度可达±0.5cm，并且易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。
关键字：超声波传感器，测距仪，PIC16F876AAbstract：Ultrasonic Ranging, can be used in car reversing, the construction site and the location of some industrial site monitoring, can also be used if the level, depth and length of the pipeline, such as measurement occasions. Measurement of the requirements in the 0.10-5.00 m, precision 1 cm, with the measurement of detected objects without direct contact, being able to clearly show stable measurement results. Because of the strong point of ultrasonic energy consumption slow, medium of communication in the longer distance, thus frequently used ultrasonic distance measurement, such as the range finder and level measurement and so on can be achieved by ultrasound. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient and simple terms, 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.The range finder only NE555 circuit，two amplifier circuit and the level achieved a comparison of launching and receiving ultrasound. SCM range finder for the core elements for launching the circuit control and receive data processing. 10-200 cm in the system of distance measurement accuracy up to ±0.5cm，and easy to debug，low-cost，with strong practical value and good market prospects. Keywords:Ultrasonic sensors, range finder, PIC16F876A目录一、系统方案比较与选择 (4)方案一：利用分立模块的超声波测距仪 (4)方案二：基于PIC16F876A单片机的超声波测距仪 (5)二、理论分析与计算 (6)1、测量与控制方法 (6)2、理论计算 (6)三、电路与程序设计 (7)1、检测与驱动电路设计 (7)2、总体电路图 (12)3、软件设计与工作流程图 (14)四、系统调试 (15)1 超声波测距误差分析 (15)2 提高精度的方案及系统设计 (16)3、测量结果 (18)五、创新发挥 (19)六、设计结论 (20)一、系统方案比较与选择方案一：利用分立模块的超声波测距仪系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。
超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制（如图1所示）；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。
显示模块是一个8位段数码显示的LCD；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。
电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。
系统结构图1 超声波测距模块组硬件框图优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能。
缺点：能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。
方案二：基于PIC16F876A单片机的超声波测距仪超声波测距仪主要以单片机PIC16F876A为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。
一般情况下，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=340×t/2，这就是常用的时差法测距。
在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。
双向超声波测距仪的系统主要有几下部分组成（如图2所示）： LED显示模块，PIC16F876A芯片，超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块等五大模块组成。
图2 系统设计总体框图优点：双向测距，精度高，功耗低。
在电路中我们采用PIC芯片它的优点是：精简指令使其执行效率大为提高；彻底的保密性；其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。
基于上述两种方案的比较，方案一，测量盲区较长，结构复杂且稳定性不高。
方案二，能进行双向测距，精度高，功耗低，模块简单，稳定性高。
所以选用方案二。
二、理论分析与计算1、测量与控制方法声波在其传播介质中被定义为纵波。
当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。
假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。
这就是本系统的测量原理。
超声波传感器的结构如图3所示。
图3 超声波传感器结构由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择就以自动选择功能来实现。
2、理论计算图4 测距的原理如图4所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式S=C*(T/2)其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（T=T1+T2），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服。
这样可以求出距离：S=C(T1-T2)/2本次设计是用555时基电路振荡产生40Hz的超声波信号。
其振荡频率计算公式如下：f=1.43/((R9+2*R10)*C5)三、电路与程序设计1、检测与驱动电路设计A、器件选择：本系统在设计过程中主要选取了以下一些器件：1.PIC16F876A：测距仪的核心单片机2.HEF4052B：双4通道的模拟选择器/分配器3.NE5532P：双低噪声运算放大器4.发射探头R40-165.接受探头T406.电位器53327.变压器B、芯片介绍：PIC16F876A：28引脚器件有3个I/O端口，而40/44-pin装置有5。
28引脚器件有14中断，而该装置有40/44-pin 15。
28引脚器件有5个A / D输入渠道，而40/44-pin装置有8。
其引脚图如图5所示。
图5PIC16F879A系列引脚图NE5532P：1引脚A放大器输出，2引脚A放大器反相输入端，3引脚A放大器同相输入，4引脚负电源，5引脚B放大器同相输入端，6引脚B放大器反相输入端，7引脚B放大器输出，8引脚正电源。
其引脚图如图5所示。
图6NE5532P引脚图HEF4052B：HEF4052B是双4通道的模拟选择器/分配器，即可作为从4路的输入信号中选择一路作为输出的选择器，也可作为将一路输入信号分配到4路输出通道中的一路输出的分配器。
通道之间是双向的。
IC内置的译码器有4个间接的模拟开关输出，对2*4个通道进行选择/分配。
MT#用作对A V1，A V2/DVD(共用),YPRPB/VGA（共用），TV四路伴音信号的选择。
其引脚图如图6所示。
1脚、2脚、4脚、5脚的Y0B to Y3B和11脚、12脚、14脚、15脚的Y0A to Y3A为独立的输入/输出通道；9脚A1、10脚A0为地址输入（选择端）；6脚E\为使能端（低电平有效）；3脚Z B、13脚Z A为公用的输入/输出通道；7脚V EE为输入/输出信号的下限值；8脚V SS为接地端；16脚V DD为供电端。
其引脚图如图7所示。
图7HEF4052B引脚图以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。
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超声波探头。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。