文档介绍：西京学院
课程设计报告
项目名称: 超声波测距系统的原理及方案设计
所属课程: 传感器技术及应用

机电工程系
课程设计概述:
【课程设计目的及要求】

⑴掌握超声波传感器(空气探头)的基本原理
⑵利用超声波传感器实现传感器距离障碍物体间距的测量
⑶完成测距系统的超声波传感器的布局方案设计及主要的测试转换电路原理设计
⑷利用课堂所学知识解决实际问题,理论联系实际
⑸提高分析问题、解决问题的基本能力

⑴综合运用传感器与检测术及应用的理论知识独立完成一个超声波测距系统工作;
⑵该超声波测距系统实现测距功能;
⑶详细论述超声波传感器测距系统的基本原理;
⑷完成传感器选型、测试原理及布局方案的设计;
⑸完成主要的测试转换电路、后续测试电路的原理框图及工作方式设计;
⑹培养学生创新精神和扎实的设计技能。
3. 课程设计原理
(一)压电式超声波发生器原理
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。超声波发生器内部结构如图2-1所示,它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。
(二)超声波测距原理
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。
  
 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。
    由于超声波也是一种声波,其声速C与温度有关,附表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2-1 温度与声速变化
温度(C)
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
声速(米/秒)
313
319
325
323
338
344
349
386
(三) 总原理框图
开始测量
超声波信号
开定时器
关定时器
数据运算
显示器
接收检测
电声换能器
电声换能器
驱动电路
(四) 总电路图
课程设计内容:
【设计方案规划及技术要求】

采用8051单片机控制的超声波测距系统
采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号,经过信号线,把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上,再由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=vt/2
原理框下图所示:
t 障碍物
s
超声波发射
超声波接收

超声波的测距原理图

硬件简单,容易实现,测距范围适中。测量误差可以控制在士1 c m左右。系统软件采用合理算法,提高了测量精度,具有较好的应用价值。另外其使用的51系列单片机以8051为内核,兼容MCS-51系列单片机,内部含有Flash存储器,在系统开发可以反复擦写;用静态时钟方式,可以节省电能;支持ISP(在线编程),不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序;晶振频率高达24M,运行速度更快,价格也比较便宜。
【方案设计】
总体设计:我们把系统的总电路分为三个大块:
;
;
。
超声波信号由51单片机产生,,持续发射216s。原始信号是5p-p V,经过运放放大3倍,驱动超声波发射头发出15p-p V, 。接收头与发射头配对,接受后将超声波调制脉冲变为交变电压信号,经运放放大5倍后加至高通有源滤波电路。滤除一些低频杂波。然后信号接至带有锁定环的音频译码集成块LM567,当LM567输入信号大于25mV,信号频率在LM567的中心频率带宽内,567的输出端8脚由高电平跃变为低电平,作为中断请求信号,送至单片机处理。通过程序计算得到所测距离后,转化成ASCII码送到液晶显示器显示
:
超声波信号由51产生,,一个40kHz的脉冲信号,持续发射216s。原始信号是5p-pV