1、德州职业技术学院毕业设计论文 0 德州职业技术学院 高职专业毕业论文 论文题目： 超声波测距仪的设计与制作 系 部： 电子与新能源技术工程系 专 业 : 应用电子技术（太阳能光电方向） 姓 名： 学 号： 201202060153 指导教师： 2014 年 11 月 14 日 超声波测距仪的设计与制作 1 原创声明 本人声明所呈交的论文是在张老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注的地方外， 没有任何剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范的行为，也没有侵犯任何其他人或组织的科研成果及专利 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
2、 如 本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。 毕业设计（论文）成果归德州职业技术学院所有。 特此声明。 作者专业： 应用电子技术（太阳能 光电方向） 作者学号： 201202060153 作者签名： 2014 年 11 月 14 日 德州职业技术学院毕业设计论文 2 目录 摘要 .4 引言 .6 第一章绪论 .7 1.1 超声波测量技术的现状及发展趋势 .7 1.2 选题的目的及意义 .7 1.3 课题设计的任务和要求 .8 1.3.1 .8 1.3.2 .8 第二章超声波测距仪的整体设计思路 .9 2.1 超声波的特性 .9 2.2 超声波测距的基本原理 . 10 2.3 超声波测
3、距仪原理框图 . 11 2.4 超声波传感器 . 11 2.5 压电式超声波发生器原理 . 12 第三章系统的硬件结构设计 . 14 3.1 超声波测距的主控芯片 . 15 3.2 单片机时钟电路 . 18 3.3 单片机复位电路 . 18 3.4 电源电路 . 20 3.5 超声波发射电路 . 20 3.6 超声波接收电路 . 21 3.7 超声波测距注意事项 . 22 第四章系统的软件设计 . 23 4.1 编程语言的选择 . 23 4.2 系统程序流程 . 24 第五章系统调试、数据测量与误差分析 . 24 5.1 系统的调试 . 25 5.2 数据测量 . 25 5.3 误差分析 .
4、27 5.3.1 误差因素 . 27 5.3.2 . 27 5.4 结论 . 27 参考文献 . 29 超声波测距仪的设计与制作 3 致谢语 .30 附录 .31 德州职业技术学院毕业设计论文 4 摘要 随着社会的发展，人们对距离或长度的测量要求越来越高。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。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们 所重视。 本文介绍了超声波测距原理和基于 AT89C2051 单片机的超声波测距系统的组成、硬件结构和软件结构。从实验情况来看，该系统可靠性好、精度高。在设计中兼顾系统性能和器件成本的关系，降
5、低整套系统的成本。该课题实物测量时与被测物体无直接接触，以数字的形式清晰、稳定地显示测量结果，其测量范围为 0.255.90 m， 测量精度为 0.01m。 关键词 ： AT89C2051 超声波 测距 超声波测距仪的设计与制作 5 Abstract With the development of society, people distance or increasing the length of the measurement requirements. Since the directivity of the ultrasonic intensity, the energy consu
6、mption is slow, propagating in the medium distance, and thus often used in ultrasonic distance measurement. Ultrasonic distance measurement can be performed due to its non-contact measurement and relatively high accuracy, more and more people pay attention. This article describes the composition, th
7、e hardware and software architecture based on ultrasonic distance measurement principle and AT89C2051 microcontroller ultrasonic ranging system. From the experimental point of view, the system reliability, high accuracy. Taking into account the relationship between system performance and device cost
8、 in the design, reduce the cost of the entire system. When the object to be measured without direct contact with the physical measurements of the subject, in digital form a clear, stable display measurement results, the measurement range of 0.25 5.90 m, the measurement accuracy of 0.01m. Keywords: A
9、T89C2051 Ultrasonic Ranging 德州职业技术学院毕业设计论文 6 引言 超声波是由机械振动产生的 ,可在不同介质中以不同的速度传播。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等都可以通过超声波来实现。超声测 距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包
10、含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高 ;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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。 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限 ; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器采用超声波渡越时间检测法。其原理为 : 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超
11、声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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。 超声波测距仪的设计与制作 7 第一章 绪论 1.1 超声波测量技术的现状及发展趋势。 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。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等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因此在工农业生产上到了广泛的应用。 随着科学技术的快
12、速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广。展望未来，超声波测 距仪作为一种非常重要的测距工具在各方面都将有很大的发展前景，在未来将朝着更加高精度的方向发展，以满足人们日益发展的日常需求。 1.2 选题的目的及意义 随着社会的发展，人们对距离或长度的测量要求越来越高。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。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。超声波测量技术利用回波测距原理，技术发展已经成熟，应用也积累了很多经验。 超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也 可用于液位、井深、管道长度的
13、测量等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时监控，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。因此该设计具有很大的实用价值，并且具有一定的商业价值。对我而言，通过对简易的超声波测距仪的设计，需要学习使用单片机的控制功能和用超声波传感器实现测量距离，并且掌握使用 Protel99、 Altium Designer 进行电路设计和制图的方法步骤，能将设计出的电路原理图下载到 PCB 板进行仿真，最终制作出实物。理解超声波传AT89C2051 为中心控制单元，实现超声波发射及其遇到障碍物发生反射形成回波信号，根据德州职业技术学院毕业设计论文 8 超声波在介质中的传播速度及超声波从
14、发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，以完成设计目标，熟悉 51 单片机软件编程及调试环境KeilC51 软件。总体而言该毕业设计课题涉及了部分大学专业课程的的主要专业知识，对我的专业技能进行了一次考验。 1.3 课题设计的任务和要求 1.3.1 任务 （ 1）了解超声波测距原理。 （ 2）根据超声波测距原理，设计超声波测距仪的硬件结构电路，画出超声波测距器的硬件原理图。 （ 3）编写单片机程序。 （ 4）制作硬件电路板（或进行软件仿真）并进行调试。 1.3.2 该毕业设计的超声波测距仪要求其测量范围为 0.255.90 m 测量精度为0.01m。测量时与被测物体无直接接触，以数
15、字的形式清晰、稳定地显示测量结果。 超声波测距仪的设计与制作 9 第二章 超声波测距仪的整体设计思路 2.1 超声波的特性 声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限 (根据大量实验数据统计，取整数为 20000 赫兹 )时，人们就会觉察不出周围声的存在，因而称这种 高频率的声为“超”声。 （ 1）超声波的束射特性： 由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种
16、物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。 （ 2）超声波的吸收特性： 声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质， 声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。 （ 3）超声波的能量传递特性： 超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢 ?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率 样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分 子的振动速度的平方决定的 ,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量，换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。
