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。