超声波测距仪的设计与制作
基于单片机超声波测距系统的设计和实现
基于单片机超声波测距系统的设计和实现超声波测距系统是利用超声波传播速度较快的特性，通过发射超声波并接收其回波来测量距离的一种常见的测距方式。
在本文中，我们将介绍基于单片机的超声波测距系统的设计和实现。
一、系统设计原理超声波测距系统主要由超声波发射器、超声波接收器、单片机和显示器组成。
其工作原理如下：1.发送超声波信号：超声波发射器通过单片机控制，向外发射超声波信号。
超声波的发射频率通常在40kHz左右，适合在空气中传播。
2.接收回波信号：超声波接收器接收到回波信号后，将信号经过放大和滤波处理后送入单片机。
3.距离计算：单片机通过测量超声波发射和接收的时间差来计算距离。
以声速343m/s为例，超声波的往返时间与距离之间的关系为：距离=时间差×声速/2、通过单片机上的计时器和计数器来测量时间差。
4.数据显示：单片机将计算得到的距离数据通过显示器显示出来，实时展示被测物体与超声波传感器之间的距离。
二、系统设计步骤1.系统硬件设计：选择合适的超声波模块，其具有超声波发射器和接收器功能，并可通过接口与单片机连接。
设计好电源电路以及超声波传感器与单片机之间的连接方式。
2.系统软件设计：根据单片机的型号和编程语言，编写相应的程序。
包括超声波信号的发射和接收控制，计时和计数功能的编程，距离计算和数据显示的实现。
3.硬件连接和调试：将硬件连接好后，对系统进行调试。
包括超声波模块与单片机的连接是否正确，超声波信号的发射和接收是否正常，计时和计数功能是否准确等。
5.优化和改进：根据实际测试结果，对系统进行优化和改进。
如增加滤波和放大电路以提高信号质量，调整超声波模块的发射频率，改进显示方式等。
三、系统实现效果完成以上设计和实施后，我们可以得到一个基于单片机的超声波测距系统。
该系统使用简单，测距精度高，响应速度快，适用于各种距离测量的应用场景。
同时，该系统还可根据具体需求进行各种改进和扩展，如与其他传感器结合使用，增加报警功能等。
超声波测距系统的设计详解
超声波测距系统的设计详解超声波测距系统是一种基于超声波测量原理进行距离测量的系统。
它利用超声波在空气中的传播速度较快且能够穿透一定程度的障碍物的特点，通过向目标物体发射超声波并接收反射回来的波形信号，从而计算出目标与传感器之间的距离。
下面将详细介绍超声波测距系统的设计过程。
首先，超声波测距系统的设计需要明确测量的范围和精度要求。
根据需求确定测量距离的最大值和最小值，以及所需的测量精度。
这将有助于选择合适的超声波传感器和测量方法。
其次，选择合适的超声波传感器。
超声波传感器一般包括发射器和接收器两部分，发射器用于发射超声波，接收器用于接收反射回来的波形信号。
传感器的选择应考虑其工作频率、尺寸、功耗等因素。
一般来说，工作频率越高，测距的精度越高，但传感器的尺寸和功耗也会增加。
接下来是超声波信号的发射和接收电路的设计。
发射电路负责产生超声波信号，并将其发送到目标物体上。
接收电路负责接收反射回来的波形信号，并将其转换成可用的电信号。
发射电路常采用谐振频率发射，以提高发射效率和功耗控制。
接收电路则需要设计合适的放大和滤波电路，以增强接收到的信号并去除噪声。
然后是超声波信号的处理和计算。
接收到的波形信号需要进行模数转换和数字信号处理，以获取目标物体与传感器之间的距离。
常见的处理方法包括峰值检测、时差测量、相位比较等。
峰值检测法通过检测波形信号的峰值来判断目标距离；时差测量法通过测量发射和接收信号之间的时间差来计算距离；相位比较法通过比较两个信号的相位差来测量距离。
最后是系统的校准和调试。
校准是调整测距系统的参数，使其达到预定的测量精度。
常见的校准方法包括距离校准和零位校准。
调试是对整个系统进行功能和性能测试，确保其正常工作。
在调试过程中需要注意测距系统与其他系统的干扰和噪声问题，并进行相应的抑制和滤波处理。
总之，超声波测距系统的设计涉及到传感器选择、电路设计、信号处理和系统调试等多个方面。
合理的设计和调试能够保证系统的稳定性和可靠性，从而满足测量的要求。
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。
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。
课程设计实验报告-超声波测距仪的设计
超声波测距仪的设计一、设计目的本设计利用超声波传输中距离与时间的关系，采用STC51单片机进行控制和数据处理，设计出能够精确测量两点间距离的超声波测距仪。
同时了解单片机各脚的功能，工作方式，计数/定时，I/O口的相关原理，并稳固学习单片机的相关内容知识。
二、设计要求1.设计一个超声波测距仪，能够用四段数码管准确显示所测距离2.精度小于1CM，测量距离大于200CM三、设计器材元器件数量STC51单片机 1个超声波测距模块URF-04 1个电阻〔1K 200 4.7K〕 3 个晶振〔12MHz〕 1 个共阳极四位数码管 1 个极性电容〔33pF〕 2 个非极性电容〔22uF〕 1 个四、超声波测距系统原理331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以到达毫米级。
超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米〔15℃时〕。
X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，那么有340m×0.03S=10.2m。
由于在这10.2m 的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：图1 测距原理超声波测距器的系统框图如下列图所示：图2 系统框图五、设计方案及分析〔包含设计电路图〕4.1硬件电路设计4.1.1 单片机最小系统控制模块设计与比拟方案二：采用STC51单片机控制。
STC51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8KB的系统可编程Flash 存储器。
AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，能够满足题目设计的所有要求，而且我们对STC51单片机也比拟熟悉，因此我们选择方案二。
最小系统电路图如图3所示图3 单片机最小系统显示模块设计采用四位共阳极数码管显示，连接电路简单，显示电路连接图如图4所示图4 数码管显示电路超声波测距模块a.本系统采用超声波模块URF04进行测距，该模块使用直流5V供电，理想条件下测距可达500cm，广泛应用于超声波测距领域，模块性能稳定，测度距离精确，盲区〔2cm〕超近。
超声波测距仪课程设计
电路运用了纯硬件设计、而未采取单片机设计，旨在训练硬件设计能力，且成本低。方案基本实现了短距离超声波测距的功能。
电路采用4节五号电池6V直流电压源，低功率使得其测距必然很小，在电路上，可适当的改变发射端驱动电路，增加驱动级数，加大一点功率。
在误差方面：普遍出现正偏差。主要原因为，在输出端比较器，为提高灵敏度，抬高了比较器的参考电压，使得接受计时延迟，测距变大，可以采用倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号进行处理。
Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码，其输出地BCD码由 、 、 决定。
CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路，能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。
高通电路 ，调试时可与Rf串一电容，组成低通电路，提高抗干扰能力。
二极管包络检波：滤去负信号的包络检波：
比较电路：如图正向端电压可调，常态下7号脚电位为3V，有信号时（电压大于参考电压），输出负脉冲。用在接收端和发射端的信号处理电路中（两个比较器的参考电压与电路实际有关，不可合二为一）。
5.4门控电路——RS触发器
3、设计内容及要求：
设计一超声波测距仪，要求：
(1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。
(2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。
(3).对设计的电路进行分析。
(4).以数字的形式显示测量距离。
4、比较和选择方案：
4.1 原理
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。
超声波测距仪的设计与制作
上位，搅拌器铁芯上平面与弯月面的距离是 300mm。在试验 中，分别测定了 3Hz 时不同电流强度的轴向分布，当电流为 320A 时， 其 B/Bom=0.22， 弯月面附近的磁感应强度只有搅拌 器中心的 22%。为了再验证 320A 电流的可行性， 在生产中进
行了试验， 当电流为 320A， 频率为 3Hz 时， 结晶器弯月面有轻 的质量， 结果表明 320A 电流的搅拌效果优于其它电流。 3.2 结晶器电磁搅拌器周围导磁材料的磁场屏蔽影响 壳置于磁场之中。试验步骤为：
调试要点41超声波发射模块中脉冲信号的产生超声波发射模块所需的脉冲信号由555芯片接成多谐振荡器电路产生矩形波脉冲信号因所选取的超声波发射器在40khz的脉冲信号驱动下其发射功率将会最大并且信号的占空比也会有影响而50的占空比最佳图555多谐振荡器的基本接法其脉冲周期t1t2t1代表充电时间电容两端电压从ddu上升到ddu所需时间t107r1r2ct2代表放电时间电容两端电压从dd下降到dd所需时间t207r2c
1 前言
电子测距仪要求测量范围在 0.35- 10m， 测量精度 1cm， 测 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
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。
可以应用于汽车 等都可以通过超声波来实现。超声波测距器， 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
度定时计数器 T1 计满所用的时间等于 65535*1=65.535ms，
而误差修正则用了计算值 - 实际误差系数的方法而不是 精确。
值。 而且当距离变远时， 接收到的幅度下降不大， 反而是噪声大 幅提高， 从而使最后的比较器连噪声也通过了， 造成无法正常 加上采用了 double 变量， 精确到小数点后很多位， 提高精度。 3.3 误差累计修正及滤波 视数， 误差系数变化很小， 所以这里笔者采用了误差的方法， 再
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
上一页 下一页 返回
７.２ 理论知识
• 优点： • ①毫米波雷达采用的是波长在１ｃｍ 以下、频率在３０ＧＨｚ 以上
以每小时上百千米速度行驶时， 超声波测距无法跟上车距的实时变 化， 误差大。 • ②方向性差， 发散角大。由于发散使能量大大降低， 另一方面使分 辨力下降， 导致误将邻车道的车辆或路边的物体作为测量目标。
上一页 下一页 返回
７.２ 理论知识
• ２.雷达测距 • 雷达概念形成于２０ 世纪初。雷达是英文ｒａｄａｒ 的音译， Ｒａ
• 在移动机器人的研究中， 为了让机器人躲避障碍物行走、及时获取 距障碍物的位置信息（距离和方向）， 测距系统是十分必要的。而 利用超声波检测往往迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制， 并且测量精度高， 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。
上一页 下一页 返回
7.1 项目描述
• １.项目的功能和性能 • ①支持距离探测。 • ②支持距离实时显示。 • ２.主要技术参数 • ①额定工作电压： ＋９Ｖ±２０％。 • ②最小工作电压： ＞７Ｖ。 • ③极限工作电压： ≤１２Ｖ。 • ④探测距离： ０.３５～５ｍ。 • ⑤工作频率： ４０ｋＨｚ。
上一页
返回
７.２ 理论知识
• ７.２.１ 实时距离测量的种类
• １.超声波测距 • 声波是物体机械振动状态（或能量） 的传播形式。所谓振动是指物
质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。譬如， 鼓面经敲 击后， 它就上下振动， 这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播 ， 这便是声波。 • 科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率， 它的单位是赫兹（ Ｈｚ）。我们人类耳朵能听到的声波频率为２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ。 当声波的振动频率大干２０ｋＨｚ 或小于２０Ｈｚ 时， 我们便听不 见了。因此， 我们把频率高于２０ｋＨｚ 的声波称为“超声波”。
上一页 下一页 返回
７.２ 理论知识
• 量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差， 因电磁波 以光速传播， 据此就能换算成与目标的精确距离。
• 雷达测距系统框图如图７－１ 所示。 • 对于车载雷达， 一般选用６０ＧＨｚ、１２０ＧＨｚ、１８０ＧＨ
ｚ 波段， 对应的波长为毫米级， 故称为毫米波雷达。 • 雷达的优点是在白天、黑夜均能探测远距离的目标， 且不受雾、云
的高频电磁波， 波长短，沿直线传播且穿透能力强， 几乎不受气象 条件的影响。 • ②不但可以探测目标的距离， 还可测出相对速度和方位。 • 缺点： • ①价格昂贵。 • ②需要防止电磁波干扰。由于存在其他通信设施造成的电磁波干扰以 及雷达间的相互影响， 容易发生误动作。
下一页 返回
７.２ 理论知识
• 自１９ 世纪末到２０ 世纪初， 在物理学上发现了压电效应与反压电 效应之后， 人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法， 由此揭 开了发展与推广超声波技术的历史篇章。
• 超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律， 与可听声 波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短， 只有几厘米 ， 甚至千分之几毫米。与可听声波比较， 超声波具有许多奇异特性 。
下一页 返回
7.1 项目描述
• 由于超声测距是一种非接触检测技术， 不受光线、被测对象颜色等 影响， 较其他仪器更卫生， 更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶 劣环境， 具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点， 因此广泛 应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、农业用水、环保检测、 食品、水文、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距 离准确度在线标定， 可进行差值设定， 可直接用于水、酒、糖、饮 料等液位或料位高度。
项目7 超声波测距仪的设计与制作
• 7.1 项目描述 • 7.2 理论知识 • 7.3 项目原理 • 7.4 项目调试 • 7.5 基于超声波测距的自动跟车智能车设计
返回
7.1 项目描述
• 近年来， 随着电子测量技术的发展， 运用超声波作出精确测量已成 可能。随着经济发展， 电子测量技术应用越来越广泛， 而超声波测 量由于精确度高、成本低、性能稳定而备受青睐。超声波是指频率在 ２０ｋＨｚ 以上的声波， 它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般 机械波在弹性介质中的传播规律， 如在介质的分界面处发生反射和 折射现象， 在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有 这些性质， 超声波才可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断 提高， 超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一 般的超声波测距仪可用于建筑物内部、液位高度的测量等。
• 超声波的波长比一般声波要短， 具有较好的方向性， 在介质中传播 的距离较远， 而且能透过不透明物质， 这一特性已被广泛用于超声 波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。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。
上一页 下一页 返回
７.２ 理论知识
• 优点： • ①对雨、雪、雾穿透能力强， 衰减小。 • ②测距原理简单， 制作方便， 成本低。 • 缺点： • ①超声波的传播速度相对电磁波来说慢得多， 当汽车在高速公路上
ｄｉｏ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ 的缩写， 意为 无线电检测和测距的电子设备。 • 雷达所起的作用和眼睛、耳朵相似， 它的信息载体与眼睛接收的可 见光不同， 而是无线电波。事实上， 不论是可见光还是无线电波， 在本质上是同一种东西， 都是电磁波， 传播的速度都是光速ｃ， 雷 达与可见光的差别在于它们各自占据的频率和波长不同。其原理是雷 达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向， 处在此 方向上的物体碰到电磁波并将其反射回来； 雷达天线接收此反射波 ， 送至接收设备进行处理， 提取有关该物体的某些信息（目标物体 至雷达的距离， 距离变化率或径向速度、方位、高度等）。