超声波传感器设计报告
超声波传感器的设计与应用
超声波传感器的设计与应用超声波传感器是一种能够使用超声波来检测、测量和感应物体的设备。
它通过发射超声波并接收其反射信号来确定物体的位置、距离和形状等信息。
超声波传感器具有精度高、反应快、无损检测等特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
超声波传感器的设计主要包括传感器模块的选择和电路设计两个方面。
传感器模块通常由超声波发射器和接收器组成，发射器产生超声波信号，而接收器接收超声波的反射信号。
在模块选择时，需要考虑到工作频率、工作距离、角度范围、解析度、功耗等因素。
对于不同的应用场景，需要选择适合的传感器模块。
在电路设计方面，超声波传感器通常需要一定的信号处理电路来提取出物体反射的超声波信号。
常用的信号处理电路包括放大电路、滤波电路和模数转换电路等。
放大电路可以增强传感器模块接收到的超声波信号，提高传感器的灵敏度。
滤波电路可以滤除噪声和干扰信号，提高传感器的信噪比。
模数转换电路可以将模拟信号转换为数字信号，便于后续处理和分析。
1.距离测量：超声波传感器可以测量物体与传感器之间的距离，例如测量停车场停车位的空余情况，或者测量液位传感器中液体的高度等。
2.避障与导航：超声波传感器可以用于机器人、车辆等设备的避障与导航，通过检测前方障碍物的距离和位置，实现自动避障和导航功能。
3.物体检测与定位：超声波传感器可以用于检测物体的存在和位置，例如在自动售货机中检测货物是否准备就绪，或者在工业生产中定位物体的位置等。
4.流量检测与控制：超声波传感器可以用于测量流体的流速和流量，例如在水处理设备中测量供水管道中的水流量，或者在油气管道中测量油气的流速等。
5.目标追踪与监控：超声波传感器可以用于追踪和监控目标的位置和活动，例如在安防系统中监控人员和车辆的活动，或者在无人机中实现目标跟踪和拍摄等。
综上所述，超声波传感器的设计与应用是一个多领域的综合应用，不仅需要合理选择传感器模块，还需要设计合适的电路和信号处理方法。
通过合理设计和应用，超声波传感器可以在很多领域实现快速、准确的检测和测量。
超声波传感器
超声波传感器的实验报告一、超声波传感器的定义：超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。
超声波是振动频率高于20KHz的机械波。
它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波传感器的原理：二、超声波传感器按其工作原理，可分为1、压电式2、磁致伸缩式3、电磁式压电式超声波传感器压电式超声波传感器是利用压电材料的压电效应原理来工作的。
常用的敏感元件材料主要有压电晶体和压电陶瓷。
根据正、逆压电效应的不同，压电式超声波传感器分为发生器（发射探头）和接收器（接收探头）两种，根据结构和使用的波型不同可分为直探头、表面波探头、兰姆波探头、可变角探头、双晶探头、聚焦探头、水浸探头、喷水探头和专用探头等。
压电式超声波发生器是利用逆压电效应的原理将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波。
当外加交变电压的频率等于压电材料的固有频率时会产生共振，此时产生的超声波最强。
压电式超声波传感器可以产生几十千赫到几十兆赫的高频超声波，其声强可达几十瓦每平方厘米。
压电式超声波接收器是利用正压电效应原理进行工作的。
当超声波作用到压电晶片上引起晶片伸缩，在晶片的两个表面上便产生极性相反的电荷，这些电荷被转换成电压经放大后送到测量电路，最后记录或显示出来。
压电式超声波接收器的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个传感器兼作发生器和接收器两种用途。
典型的压电式超声波传感器结构主要由压电晶片、吸收块（阻尼块）、保护膜等组成。
压电晶片多为圆板形，超声波频率与其厚度成反比。
压电晶片的两面镀有银层，作为导电的极板，底面接地，上面接至引出线。
为了避免传感器与被测件直接接触而磨损压电晶片，在压电晶片下粘合一层保护膜。
超声波测距传感器报告 (2)
超声波测距原理及其运用超声波作为一种传输信息的媒体，由于其本身的直射性和反射性，以及不易受光照、电磁波等外界因素影响的特性，在探伤、测距、测速等多种领域越来越受到重视。
超声波是频率高于20K赫兹的声波，他的方向性好，穿透力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
在医学、军事、工业、农业上有多的应用。
超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法：(1)取输出脉冲的平均值电压，该电压(电压的幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离;(2)测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t。
因此，被测距离为S=1/2vt。
通过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时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V ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即:S = V·△t /2这就是所谓的时间差测距法。
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。
常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。
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。
已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为：V = 331.45 + 0.607T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。
超声波传感器的设计与研究
超声波传感器的设计与研究一、引言超声波传感器是一种通过声波在介质中的传播来检测距离、位置、速度等参数的传感器。
超声波传感器使用频率高、泄漏小、灵敏度高、探测距离远等特点，因此在工业、医疗等领域得到了广泛的应用。
本文将重点介绍超声波传感器的设计与研究。
二、超声波传感器的基本原理超声波传感器的基本原理是利用超声波在介质中的传播来探测物体的距离、位置、速度等参数。
声波在介质中的传播速度取决于介质的密度和刚度，因此可以通过测量声波传播时间来计算物体距离。
超声波传感器通常由发射器、接收器和信号处理系统组成。
发射器将电信号转换为声波信号，发送到物体上后被反射回来，接收器将反射回来的声波信号转换为电信号，然后信号处理系统将电信号转换为所需的参数。
三、超声波传感器的设计和制造超声波传感器的设计和制造需要考虑到多个因素，如频率、距离、灵敏度、波束角、环境适应性等。
以下是超声波传感器的设计和制造的一些关键步骤：1. 发射器和接收器的设计超声波传感器的发射器和接收器通常采用压电陶瓷材料制成。
压电陶瓷材料具有压电效应，即在应力下会产生电压。
因此，压电陶瓷材料可以将电信号转换为声波信号，也可以将反射回来的声波信号转换为电信号。
发射器和接收器的设计需要考虑到频率、波束角、灵敏度等因素。
频率越高，探测距离越短，但灵敏度越高；波束角越窄，方向性越好，但探测范围也越小。
2. 信号处理系统的设计超声波传感器的信号处理系统对于测量精度和稳定性都至关重要。
通常，信号处理系统包括前置放大器、滤波器、放大器和模数转换器等。
前置放大器用于提高信号的幅度和增强信号的噪声比；滤波器用于滤除杂波和干扰信号；放大器用于放大信号的幅度；模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号，以便进一步处理和计算。
3. 环境适应性的设计超声波传感器的应用场景通常比较恶劣，需要考虑到环境适应性。
例如，需要考虑防水、抗震、抗干扰等因素。
四、应用领域超声波传感器在工业、医疗、安防等领域都有广泛的应用。
实验报告之传感器-超声波
传感器实验报告制作：刘煌司黄海锋实训的意义：在这个学期，我们已经学习了传感器技术，熟悉、了解了传感器的知识以及其在各方面的相关运用。
但书本知识仅仅是让我们了解到了有什么传感器和它的一些常用方法，实际上的运用，我们却还没有接触过、尝试过，所以，我们开展了传感器实训，让我们了解传感器在生活中实际用法和用途。
由于传感器各类众多，我们不可能拿它们来一一实验，于是，我们选择了一个运用较广的传感器——超声波传感器来进行实验。
分组情况：为了让更多人都有动手的机会，我们决定两人一组进行实验。
步骤：一、电路分析：本传感器电路是一个超声波测距电路，用一个单片机来控制整个电路。
以单片机为核心，其电路主要有以下几个模块：1、单片机的复位与晶振电路，这是单片机必不可少的电路，一个是让单片机从头开始运行，一个是给单片机提供能量的时钟电路；2、超声波发射电路，由单片机P1.0口发出40KHz的脉冲波，再分出两个路，当一条路的非门多于另一条的支路的时候，两个支路的输出就会一个为高电平，一个为低电平，且单片机的电流经过非门后，其电流也会增大，后两个非门的输出端接在了一起，使其电流又加大了一些；3、超声波接收电路：运用了一个SONY公司的一个集成电路，其接法是相对固定的，在超声波没有反回来的情况下，CX20106A的7脚为高电平，当收到超声波时，其7脚为低电平，再将7脚引到单片机的外部中断0处，通过编程，让它电平变化时作出相应的反应；4、数码管显示电路：由于单片机I/O口较少，所以用数码管的动态显示接法，单片机的P0口接数码管的段选，用P2.4－P2.7来控制它的们选端口。
二、画接线图：本电路有四个模块，所以为了让每人都有参与机会，所以我们一人画两个模块，然后再把这四个模块画在一起，再将其进行最后的修改，然后又将其与原理图核对，没有发现错误后就进行下一步。
三、焊接：可能是平时对万用板用的比较少，所以出现了比较多的问题，主要问题有下：开始时焊的锡很脏，完全没有那种光泽。
超声波传感器测试实验报告
超声波传感器测试实验报告一、实验目的本次实验的主要目的是对超声波传感器的性能进行全面测试，以了解其在不同条件下的工作特性和测量精度，为后续的应用提供可靠的数据支持。
二、实验原理超声波传感器是利用超声波的特性来测量距离和检测物体的。
它通过发射超声波脉冲，并接收反射回来的声波，根据发射和接收的时间差来计算距离。
超声波在空气中的传播速度约为 340 米/秒，通过测量发射和接收的时间间隔 t，距离 d 可以通过公式 d ＝ v × t ／ 2 计算得出，其中 v 为超声波在空气中的传播速度。
三、实验设备与材料1、超声波传感器模块：型号为_____，工作频率为_____kHz。
2、微控制器：＿____型号，用于控制传感器和处理数据。
3、电源：提供稳定的_____V 直流电源。
4、示波器：用于观测传感器的输出信号。
5、障碍物：不同材质和形状的物体，如木板、金属板、球体等。
6、测量工具：卷尺，精度为_____mm。
四、实验步骤1、连接电路将超声波传感器与微控制器按照说明书进行正确连接，确保电源供应稳定。
将示波器连接到传感器的输出端，以观察输出信号的波形和特征。
2、传感器校准在无障碍物的开阔空间中，对传感器进行初始校准，设置基准距离为 0 米。
3、距离测量实验放置传感器在固定位置，分别在距离为 01 米、02 米、05 米、1 米、2 米、3 米、4 米、5 米处放置障碍物，记录传感器测量的距离值。
每个距离点进行多次测量，取平均值以提高测量的准确性。
4、障碍物材质和形状影响实验分别使用木板、金属板、塑料板等不同材质的障碍物，在相同距离下进行测量，观察测量结果的差异。
更换不同形状的障碍物，如平面、曲面、球体等，研究其对测量结果的影响。
5、环境因素影响实验在不同的温度（如 10℃、20℃、30℃）和湿度（如 30%、50%、70%）条件下进行测量，分析环境因素对测量精度的影响。
在有噪声干扰的环境中进行测量，观察噪声对传感器输出信号的影响。
超声波测距报告
超声波测距系统——实物部分设计报告一、设计要求：用超声波传感器和其它器件设计一个反射式超声波测距系统。
1、测量距离不小于1.3米，数字显示，清晰，无数字叠加现象。
动态更新数字显示的测量结果，更新时间约0.5秒左右。
2、测量精度优于0.1米，显示精度0.01米。
3、距离小于0.3米时，用蜂鸣片发出间歇式的“滴一滴”声响报警。
4、测量距离超过1.0米时，给出达到测距要求的超量程指示。
二、设计思路：1、设计总的原理框图：超声波发射器㈠2Hz时钟信号产生电路：①分析：利用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟信号的产生电路，通过调整电阻和电容的值，得到所需频率的矩形波。
②单元电路图如右图。
③参数计算：④ 功能说明：数字显示的测量结果要求动态更新时间约0.5秒左右，所以要求一个频率约2Hz 的时钟信号来控制刷新数据，保证结果显示稳定不闪烁。
㈡ 40KHz 时钟信号产生电路：① 分析：利用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟信号的产生电路，通过调整电阻和电容的值，得到所需频率的方波。
② 单元电路如下图。
③ 参数计算：④ 功能说明：发送超声波需要一个可以微调的40KHz 的时钟信号作为驱动，1212121 1.43;(2)2,;2 1.52;1,300.pL pH f t t R R C f Hz F R R M R M R K ==++=∴+=Ω∴=Ω=Ω 又另C=470n 取123123231 1.43;(+2)40,+276.1;7.5,7.5,47pL pH f t t R R R C f KHz R R R K K R K R K ==++=∴+=Ω∴=Ω=ΩΩ 1又另C=470pF;取R 为的可变电阻器。
超声波以正弦波方式传输，所以超声波驱动模块的频率要求是接近40KHz 周期信号的方波。
㈢ 17KHz 时钟信号产生电路：① 分析：利用555定时器组成的多谐振荡器作为时钟信号的产生电路，通过调整电阻和电容的值，得到所需频率的矩形波。
超声波传感器课程设计报告
西安广播电视大学课程设计报告（理、工、农、医用）年（季）：专业：机械设计与制造（本）课程：传感器与测试技术姓名：＿＿学号：成绩：摘要摘要超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离较远等优点，因而，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是应用最普遍的一种，并且在测量精度方面也能达到自动化的使用要求，它广泛应用于倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。
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。
超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。
单片机采用AT89C51或其兼容系列。
采用12M高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。
本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89S51单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89S51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。
该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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关键词超声波Ultrasonic单片机AT89S51 MCU AT89S51 测距Ranging目录摘要·1关键词·11.引言·11.1单片机超声波测距系统框图·12.超声波测距工作原理·22.1超声波传感器·32.1.1超声波发生器·32.1.2压电式超声波发生器原理·32.1.3单片机超声波测距系统构成·33.设计方案·43.1关于AT89S51单片机·43.2超声波测距单片机系统·53.3超声波发射和接收电路·63.4显示电路·73.5供电电路·73.6报警输出电路·84.软件设计·84.1软件设计方法·84.1.1主程序设计·84.2超声波测距程序流程图·94.3超声波测距程子序流程图·105.调试与性能分析·105.1调试步骤·105.2性能分析·11致谢·11参考文献·121引言传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。
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重庆三峡职业学院
智能电子产品设计与制作实训报告项目名称超声波传感器
班级13级应用电子技术1班
姓名___________________________
学号___________________________
2014 --2015 学年度2 学期
机械与电子工程系
一超声波传感器简介
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，能够成为射线而定向传播等特点。
超声波传感器可以对集装箱状态进行探测，可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。
超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
有的超声波传感器既作发送，也能作接收。
这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ 及40-45KHZ。
这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。
该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。
另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。
它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。
超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。
二超声波传感器的组成
超声波传感器是指产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器利用压电晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的传输特性，实现对各种参量的测量，属典型的双向传感器。
因此，超声波传感器由发射传感器（简称发射探头）和接收传感器（简称接收探头）两部分组成，如图6-3所示。
图6-3 超声波传感器的组成
三超声波传感器的工作原理
人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ 称为超声波，低于20HZ的称为次声波。
常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。
在工业中应用主要采用纵向振荡。
超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。
在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。
在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。
利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通讯，医疗家电等各方面得到广泛应用。
四硬件电路设计
我们设计的超声波测距系统由74LS04发射模块，CX20106A接收模块，数码管显示和AT89C51单片机构成。
五硬件电路分析
接收电路
接收电路中2脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R2=4.7Ω，C1=1μF。
3脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间响应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。
5脚中R4用于设置中心频率，R4=200k是，f0=38KHz，阻值越大中心频率越低。
6脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
六软件设计
系统程序流程图如图所示：
工作时，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。
由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完12个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。
当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。
再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。
七结论
本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。
对超声波测距传感器的硬件和软件进行设计。
超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。
深入地了解超声波传感器的工作原理，更好的进行设计测距电路。
单片机是本系统的控制部分，采用Atmel公司生产的STC89C52芯片。
驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机编程产生的。
本系统的发射电路采用74LS04，通过它对单片机产生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。
接收电路采用CX20106A芯片，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片
机响应中断程序。
本系统的数码管显示部分采用的是静态扫描方式，利用单片机进行软件译码。
软件代码采用C语言编程，主要包括主程序、延时1s子程序以及显示子程序等，测距传感器主要实现方波信号的接收和发送、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码等功能。
本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。
测距系统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。
但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。
总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。
了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。
对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。
这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。