电子与信息工程毕业论文：超声波测距系统的设计.doc

1、 本 科 毕 业 设 计 超声波测距系统的设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 超声波是指振动频率大于 20000Hz 的声波，和其他声波一样以纵波形式在介质中传播。但相比于与其他种类的声波，具有更高的频率和更低的波长 。正是由于超声波的波长较短，使其在遇到障碍物时很难像其他声波那样能够产生明显的衍射现象，所以超声波具有很好的方向性，且在遇到障碍物时基本上都产生反射。这为超声波成为测距声波提供了条件。 本次所采用的超声波测距系统以测量超声波的发射与反射的时间差作为测距的基本原理进行设计。系统主动向被测物体发出超声波，通过测量发射波

2、和反射波之间的间隔时间，计算出被测距离。 在具体设计电路时，由于电路整体所含元件较多，比较复杂，所以通过将整体电路分为发送部分、接收部分、计时显示部分和报警部分分别进行电路设计，使复杂的电路分解为 各个相对简单的部分，同时对一些部分电路进行了优化。在构建实体电路时，采用平时较为常见的数字元器件进行电路的构建，如 555 定时器、 74LS74、 74LS161 等，减轻了购买元器件的压力。在完成每部分电路的构建后，对每部分电路进行了 Multisim 的仿真和验证，减少了失误的发生。完成后的电路能够显示的最小计数单位为厘米的显示值；且显示的距离值能够进行动态刷新，示数稳定；当物体进入到 30c

3、m 的警报范围并且继续靠近时，能够发出警报声。 关键词： 超声波测距；数字电路； Multisim 仿真 II Abstract The ultrasound is a kind of sound wave which the frequency is higher than 20000Hz, just as much as other sound waves wave propagation in media form. Compared with other types of sound waves, the ultrasound has higher frequency and lowe

4、r wavelength. Because the ultrasound has shorter wavelength, it is difficult to produce diffraction when face the obstacles as obvious as other sound waves, so the ultrasound has good directional, and it always generate reflection when in the face of obstruction. This make the ultrasonic sound waves

5、 become a sound ranging become possible. The design use the time between the ultrasonics emission and reflection wave to measure the distance. System takes the initiative to send ultrasonic emission wave to the measured object, and measuring the interval between the reflected waves to calculate the

6、measured distance. In the specific design of circuit, by sending the whole circuit divided into sending parts, receiving parts, time and display parts, alarm parts. So make the complex circle into a simple circle, and some parts were optimized. When building the physical circuit, normally use the co

7、mmon digital components to building the circuit, such as the 555 timer, 74LS74, 74LS161 and so on; reduce the pressure to buy components. When finish construction each part of circuit, carried out the simulation and verification for each part of circuit, reduce the incidence of errors. After complet

8、ion all of the circuit, it can achieve the technical indicators of measurement accuracy better than 0.01 m; the displayed value can be dynamically refreshed, showing the stability number ; When measured object into the range of 30cm and continue to close the alert, the circuit can issue alarm. Key w

9、ords: Ultrasonic Distance; digital circuit; Multisim simulation III 目录 摘要 . I Abstract. II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 超声波在国外的发展 . 1 1.2 超声波在国内的发展 . 3 1.3 超声波测距的优点 . 4 1.4超声波测距的前景 . 4 第 2 章 超声波测距系统的设计 . 5 2.1 超声波测距原理 . 5 2.2 总体思路设计 . 5 2.3 超声波传感器 . 6 2.4 振荡电路 . 8 2.4.1 555 定时器介绍 . 8 2.4.2 脉冲调制器 . 10 2.3.3 高频振荡

10、器 . 10 2.5 接收部分电路 . 11 2.5.1 负反馈放大 . 11 2.5.2 运算放大器 . 12 2.6 显示及处理部分电路 . 13 2.6.1 控制部分 . 13 2.6.2 计数部分 . 14 2.6.3 显示部分 . 15 2.7 报警电路 . 15 2.7.1 测向电路 . 15 2.7.2 判断电路 . 17 第 3 章 各部分电路系统仿真 . 18 3.1Multisim 的介绍 . 18 IV 3.2 发射部分仿真 . 19 3.3 接收部分仿真 . 21 3.4 显示处理部分仿真 . 24 3.5 报警部分仿真 . 26 结论 . 28 致谢 .错误 !未定义

11、书签。 参考文献 . 29 附录 超声波测距系统整体电路图 . 30 1 第 1 章 绪论 波是物体 机械 振动状态的传播形式。 物体的 振动 是指 物 体 在其平衡位置附近进行的往返运动。 比如 ， 锣在 经敲击后，就 能够 振动，这种振动通过空气 介质 向 周围 传播，这便是声波。超声波就是声波的一种，它 是指振动频率大于 20000Hz 以上的 ,超出 了人耳听觉的上限 频率 ，它 和可闻声 一样都 是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量的传播形式， 只不过相比于可闻声波和次声波， 超声波频率 更 高，波长 更 短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性

12、 。 超声波在 介质 中的反射、折射、衍射、散射等传规律与可 闻 声波 基本一样 。但是 由于 超声波的波长 较 短，只有几厘米，甚至 还小，使超声波在传输过程中遇到 的障碍物的尺寸 往往 要比 它 的波长大好多倍， 超声波很难绕过去，所以 超声波的衍射本领 较 差， 使之 在均匀 的 介质中能够定向直线传播， 并且 超声波的波长越短，这一特性就越显 著 。 正是由于超声波的这一特性，所以当其遇到墙面、水面、金属、树木等物体时几乎为全反射，反射回来的超声波就可以被接收器收到，这样就为超声波测距创造了可能性。 超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现 的 非接触式距离测量方法

13、 ，不受光线、被测对象颜色等影响，相比较与其它仪器而言更为卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，并且具有维护简单、无污染、可靠性高、寿命长等特点。可广泛的应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶 制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。且可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度等。 1.1 超声波在国外的发展 现在认为，超声波最先是从 1876 年 F.Galton 的气哨实验开始，这是人类首次产生的高频声波。但是

14、在以后的 30 年内，人们对超声波仍然了解的比较少，发展比较缓慢，对超声波研究没有受到人们的重视。接着在第一次世界大战中，超声波的研究开始慢慢的受到各国的重视。在这时期的法国人 Langevin 使用了一种晶 体传感器作为接收器，并用其在水下接收一些相对低频率的超声波，并且提出是否可以使用超声波来对水中的潜艇进行检测或者在水下利用超声波进行通信。 在 1929 年，前苏联科学家 Sokolov 最先提出了利用超声波探测检测金属物内部是否存在缺陷的想法。在间隔两年后，德国人 Mulhauser 获准一项关于超声检测方法的德国专利，但是他没有在这方面进行深入的探索研究。在 1934 年 Sokol

15、ov 发表了关于超声波在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，使用了多种方法进行实验，检测穿过试验物品的超声波中含有的能量，在这些方法中最为简单 的是使用光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹的大小。 德国人 Bergrnann 发布了关于超声波的经典著作 uLTRAsoNIC，在该著作中对超声波早期的大量资料进行了详细的论述，这本著作也一直被认为是超声波领域中的经典著作。美国2 的 Firestone 和英国的 Sproulels 两人对超声波脉冲回波探伤仪进行了首次介绍，并使超声波检术发展到了更为重要的一个阶段。在各种各样的超声波系统中，这是最为成功的一种检测系统，因为它具有最广泛的代表性，

16、而且其检测结果也是最容易解释的。 图 1.1 超声波脉冲回波探伤示意图 这种方法除了可用于手工检测外，还可以和各种先进的系统进行联用。直至当前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍然是应用最为广泛的一种。 在 50 年代由于雷达的快速发展很大程度的促进了超声波技术的发展；而后随着电子技术的不断快速发展，又加速了超声波的发展，使其又有了一次快速的飞跃。从此超声波被广泛地应用于医疗诊断、无损检测及工业控制中。在 60 年代，随着新材料新技术的应用以及对超声波的深入研究，产生了一些超过 100GHz 的超高频超声 波，而且这些超高频超声波逐渐的在计算机技术、物理基础研究和通信技术得到了应用。 Figne

17、roaJ.F 在 1992 年 对 超声 的 回波 提出了一种新的 计时方法，利用相位 和 峰值 进行 相加获得 回波时延冈。 利用 这种 测量 方法 可以 达到 18 一 34 米 的测量范围 ，误差精度 可以达到 2%。在 2007 年， HanneSElmer，在对高精度超声波测距系统进行研究时使用了编码信号，且对超声波测距 高分辨率 的提高提供了方法 。 在 近几年， 随着科技的快速发展，各种陶瓷压电材料和微电子技术也随之获得了快速的发展，这些技术使得超声波的检测技术有了质的飞跃。 美国普力塞思公司研制了 APRESYS 超声波测距仪， 不仅 实现了高速精确的长宽高测量 而且还实现 面

18、积测量。加拿大柏威腾超声波设备厂研制了各种超声波测量及工业应用设备。 脉冲振荡器 接收器 示波器 探 头 被测物 缺陷 探伤面 缺陷 底面 3 1.2 超声波在国内的发展 在我国， 对于超声波的研究起始于 60 年代，在此期间建立了分子声学研究室，对超声波进行了各种测量研究，设计了超声波在固体的衰减测试仪等多种仪器。于此同时对超声波在医疗、探伤、显示、加工等各个方面的探索研究都取得了一些长足的进步。 步入 80 年代后，我国对超声波的研究也进入了一个快速发展的阶段，且取得了一系列骄人的成绩。 高分子压电 PVDF 型换能器 和 超声显微镜 能够在实际中应用，制造 PVDF 高分子压电薄膜材料

19、技术处于国际领先水平，国产 B 超探头投入到实际的医疗应用等。 近些年随着中国工业自动化水平的不断提高，国内对于超声波技术水平的要求也在不断的提高，使得国内对超声波的研究再次得到了快速的发展。 近些年来，国内对于超声波测距的研究也有较多的论述。 1996 年中国科学院上海声学实验室提出了一种双频超声波测距的原理和方法 。 2000 年，童峰、许肖梅等提出一种以均方误差为观察对象的 LMS 自适应延时估计算法，这种算法极大的提高了超声测距的可靠性，但是算法较为复杂，运算量大，不利于实时处理 。 中国测试技术研究所的李茂山在超声波测距原理及实践技术一书中将超声波在空气中的传播速度做为已知条件，测量

20、出超声波行在需要测量的测量距离所行进时间的超声波测距原理。在文章中还对影响超声波声速的因素以及 图 1.2 理想状态下的超声波测距系统 声波的传输特性进行了讲解，并且描绘出了超声波测距的各个步骤。中国海洋大学的曹玉华在超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用提出了用温度补偿的方法测量声速 ，进而提高超声波测距精度。因超声波的传播速度在测距中对整个系统的精度起着重要的作用，且超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。用温度补偿来修正超声波速度，从而减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在 1.5m 的测量范围内，测量误差小于 5c

21、m。山东科技大学的王红梅在高分辨力超声测距系统的研究对现在已有超声波测距进行了分析并评价了各自的优缺点，可以采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方法进行提高超声波测距精度，并且用温度补偿的方法进一 步提高系统精度。同时为了提高仪器的分辨力，还可采用若干方法来减小随机误差。 V t t 障 碍 物 超 声波 探 头 发射波 反射波 s=vt/2 4 1.3 超声波测距的优点 从技术上看，超声波测距系统在上个世纪 70年代已经实用化，从 70年代末期开始广泛应用于生产领域。超声波检测能够快速、方便的进行测量，并且控制简单，在测量精度上也可以达到工业要求，并且相比于一些常规测量方式不能

22、够很好完成的地方都有着良好的应用。 相比于传统的常规测量超声波在测距方面主要突出以下优点： 1、应用范围广泛，超声波在气体、液体和固体介质中都能够传输，所以在这些介质当中超声 波测距都能够很好地应用； 2、对环境要求低，超声波对外界的电磁波、光线或粉尘都不是很敏感，在这些环境中测量时可以大大的降低人员的劳动强度，减少人力成本； 3、超声波传感器的结构简单，设备价格低廉，维护方便，工作稳定靠，很容易大规模工业化使用。 正是超声波的这些特性优点，使其在民用上，工业上、军事上都有着广泛的应用。比如在民用上的自动泊车系统和倒车雷达系统等；工业上的超声波探伤系统，自动化装配、检测、分类系统等；军事上的潜

23、艇声纳系统等。 1.4 超声波测距的前景 随着经济发展，电子测量技术的应用将会越来越广泛， 而超声波测量精确高，成本低，性能稳定的特点将会越来越受人们的青睐。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术将会越来越广泛的应用于人们的日常工作和生活之中。 虽然说现在人们利用的超声波测距功能还十分有限。但相信 随着科技的不断进步和发展，超声波测距仪将不仅仅只是用于测量距离，而会和自动化智能化接轨，与其他仪器设备组合在一起，成为多功能的测量仪器，从单纯的判断功能发展到具有学习功能，能够自主创新。 总体来看虽说现阶段我国在超声波研究发面取得了许多骄人的成绩，但在精度，稳定性等方面和发达国家相比还是存在着不小的

24、差距， 国内生产的许多超声波仪器在精度上、稳定性上都还不能满足人们生产生活需求，都需要长期依赖于国外的进口。所以在超声波研究方面，国内还需要不断的进行探索研究。因此对于超声波测距的研究具有非常重要的实时性和重要性。 5 第 2 章 超声波测距系统的设计 本章主要介绍了超声波测距系统的总体设计思路，并对各个部分的电路设计进行了具体的分析和设计。 2.1 超声波测距原理 本次设计所用的超声波测距采用的方法是通过测量超声波在介质中传播的时间来计算出超声波所传播的距离从而计算出所要测量的距离。 超声 波发射器发射出超声波经 过介质传播，在发射超声波同时系统开始计时，当超声波遇到障碍物后反射回来，被超声

25、波接收器接收系统停止计时，这样就可以由系统计算出超声波在介质中传播的时间 T。又已知超声波在空气中的传播速度 V，再由公式计算就可得知超声波传播的距离。 虽然说这种测距方法比较容易，但相比于其他测量方式而言测量精度还是比较低。在测距过程中有较多的因素影响测距结果： 空气温度 ：空气温度对超声波速度的影响最大，空气每上升 20，超声波的检测距离将会增加大约 3.5%； 空气 湿度 ：空气湿度对超声波的影响也较大。随着湿度的增加，超声波检测距离最 大可以增加 2%左右； 空气压力 ： 常规情况下大气变化 5% 将导致检测范围变化 0.6% 。大多数情况下，传感器在 5 个大气 压下使用没有问题。

26、气流 ：气流对声速也存在影响。在气流速度较低的时候，对超声波的声速影响较小。但是在空气涡流交多的情况下，比如一些检测热金属检测方面，超声波检测的精确度将会大大降低。 2.2 总体思路设计 本次设计主要采用数字元器件进行电路的设计。其整体的电路主要是由 4 大部分组成：一、超声波的发射电路，负责产生 40KHz 的高频信号并将其转变为超声波向介质发射，同时为计时部分提供开始信号首先由 脉冲调制器产生的一个一定宽度的闸门信号，在这个闸门信号内超声波振荡器将产生一段 40KHz 高频发射信号，这段信号在经过放大电路的放大作用后送入超声波换能器，将电信号转变为声波信号，然后向待测物体发射出该声波信号。在脉冲调制器在产生一个闸门信号的同时，脉冲调制器给计数电路发出一个启动信号，使计数显示电路在系统发射超声波同时开始计时。；二、超声波的接收电路，负责接收超声波的回波，然后将接收到得物理信号转变为电信号，将其整形放大后，为控制部分提供停止的信号；三、数值显示及控制部分，负责对整个系统进行控制和计时显示， 将接收到的电信号转变为客观的数字信号 ；四、报警部分，实时监测探测距离，当探测条件满足报警条件时，发出警报。