1、 本科毕业设计 （ 20 届） 纯硬件电路的超声波测距仪制作 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 随着生活水平的不断提高，对于测距不管是从精度，方法上都有了新的要求，传统的接触式测距已经不能满足现代人们的生活。超声波 测距是一种有效的非接触式测距方法，测距迅速，方便。能够克服传统测距方法的不足。本次课题设计了一台 纯硬件电路的超声波测距仪，即以超声波的发射与接收的时间差来测量物体间的距离。该仪器的测量范围在 0.35m 10m 之间，并能够通过数码管显示测量的结果。通过对电路的仿真和硬件的调试达到了预期的效果，具有一定的实用价
2、值。 关键词： 接触式测距；非接触式测距； 超声波测距；数码管显示 - 2 - Abstract With the continuous improvement of living standards, regardless of the distance from the precision of the method are the new requirements, the traditional contact-type distance can no longer meet modern peoples lives. Ultrasonic Ranging type an effect
3、ive non-contact distance measurement methods, ranging quick and convenient. Ranging method can overcome the shortcomings of traditional. This paper designs a pure hardware circuit ultrasonic range finder, that transmit and receive ultrasound to measure the time difference of the distance between obj
4、ects. The instruments measurement range between 0.35m-10m, and digital display through the measurement results. On circuit simulation and hardware debugging to achieve the desired effect, with some practical value. Key Words: Contact distance; Non-contact distance measurement; Ultrasonic Distance; D
5、igital display - 3 - 目 录 1 引言 . - 1 - 1.1 超声波概念 . - 1 - 1.2 超声波的特 点 .- 1 - 1.2.1 超声波的束射性 . - 1 - 1.2.2 超声波的透射，反射，折射与聚集 . - 1 - 1.2.3 超声波的吸收与衰减 . - 2 - 1.2.4 超声波的能量巨大 . - 2 - 1.2.5 超声波的声压特性 . - 2 - 1.3 超声波测距 .- 2 - 2 总体设计 . - 3 - 2.1 方案的选择 .- 3 - 2.1.1 激光测距 . - 3 - 2.1.2 红外线测距 . - 3 - 2.1.3 超声波测距 . -
6、 3 - 2.2 课题达到的技术要求： .- 4 - 3 硬件电路及工作原理 . - 5 - 3.1 超声波测距仪的总体工作原理 .- 5 - 3.2 超声波测距仪的电路组成及其工作原理 .- 6 - 3.2.1 超声波发射电路 . - 6 - 3.2.2 超声波接收电路 . - 9 - 3.2.3 超声波测距仪的比较电路 . - 10 - 3.2.4 超声波测距仪的时间测量电路 . - 11 - 3.2.5 超声波测距仪的计数电路 . - 12 - - 4 - 3.2.6 超声波测距仪的显示电路 . - 16 - 4 元器件的选择 . - 18 - 4.1 超声波传感器的选择 . - 18
7、- 4.2 芯片的选择 . - 18 - 5 超声波测距仪的制作 . - 24 - 5.1 超声波测距仪电路板的制作 .- 24 - 5.2 超声波测距仪电路的焊接 .- 25 - 6 超声波测距仪的调试 . - 27 - 6.1 超声波测距仪发射接收电路的调试 . - 27 - 6.2 超声波测距仪误检测电路的调试 . - 28 - 6.3 超声波测距仪计数脉冲频率的调试 . - 29 - 6.4 超声波测距仪距离测量的调试 . - 29 - 7 结论 . - 31 - 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .33 附录 1 系统实物图 . - 33 - 附录 2 系统电路图和 PCB
8、 图 . - 34 - 附录 3 毕业设计作品说明书 . - 36 - 1 引言 1.1 超声波概念 声波 它 是物体 机械 振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近 所 进行的往返运动形式。 比 如，敲击鼓面后，它就 开始 上下振动，这种振动状态通过空气 介 质向 各个方向 传播，这 就 是声波。 超声波是指振动频率 在 20000Hz 以上的 ,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（ 20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和 可闻声 本质上是一致的，它们的共同点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
9、播形式 。 其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性， 它 是声波大家族中的一员。 1.2 超声波的特点 1.2.1 超声波的束射性 人耳可感受的声音是无指向性的球面波，即以声源为中心呈球面向四周扩散，周围均能听到声音。超声波频率很高，方向性 (即束射性 )较强。当 超声波发生体 压电晶体的直径尺寸远大于超声波波长时，则晶体所产生的超声波就类似于光的特性。压电晶体片直径越大或频率越高，其波长就越短，则近场区的长度越长，此超声波场的束射性就越好。 15 1.2.2 超声波的透射，反射，折射与聚集 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，
10、也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时， 其 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，也就是要改变它的 传播 方向，两种物质的密度差别 越 大，则折射也 越 大。 1.2.3 超声波的吸收与衰减 声波在各种媒质中传播时，由于媒质要吸收掉它的一部分能量，因此随着传播路程的增加，声波的强度会逐渐减弱。频率越高的声波，空气对它的吸收就越弱，所以超声波传播的距离较长。 16 1.2.4 超声波的能量巨大 超声波之所以在工业、国防和医疗等方面发挥着独特而又巨大的作用。一个重要原因是超声波比其他声波更为强大的功率。根据有关声学实验测定，频率
11、为l00 万赫兹的超声波的能量，要比同幅度的频率为 1000 赫兹的声波的能量大 100万倍。可见拥有巨大的能量，这是超声波的一个重要特点。 1.2.5 超声波的声压特性 所谓“声压”指的是由于声波的振动而使声场中的物体受到的附加压力的强度。超声波的声压一般是很大的。例如，一般强度的超声波射入水中时，而产生的声压可以达到数个大气压。超声波之所以能够产生这样强的声压，其根本原因是超声波的频率很高，所以进入介质时，高密度分子间的伸拉很快，致使其间形成瞬时的真空与压缩高密度区，产生巨大的压力差。当振幅达到一定程度时，超声波所拥有的能量十分巨大。 14 1.3 超声波测距 超声波在气体、液体及固体中传
12、播的速度会有差异，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小 、反射能力较强。超声波能以一定的速度定向传播、遇到障碍物后形成反射，利用这一特点通过测定超声波发射与接收所用时间差就可计算出实际距离 ， 从而实现无接触测量物体之间的距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素的影响，被广泛应用于水位测量、建筑施工工地的测量、车辆倒车障碍物的测量等。 16 2 总体设计 2.1 方案的选择 目前市场上销售测距仪主要有激光测距仪，红外线测距仪，超声波测距仪。虽然说他们是三种不同的测距仪，但他们的测距原理是一样的，都是通过测量发射与接收的时间差来计算出物体间的距离。同时也存在 着各自的优点和不足。 2.1.
13、1 激光测距 激光测距仪是利用 激光 对目标距离进行 精 确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标 发 射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束 ， 计时器测定激光束从发射到接收的时间， 从而 计算出观测者到目标的距离。 测量精度较高，但 是需要注意人体 的 安全，且制做的难度较 大 ，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将 会 影响测量 的精度 。 2.1.2 红外线测距 红外 线测距利用的是红外线传播时的不扩散原理。因为红外线在穿越其它物质时折射率很小，所以长距离的测距仪都会考虑红外线，红外线从测距仪发出碰到障碍物反射回来被测距仪接收到，根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线
14、的传播速度就可以计算出距离。但它 的测量精度低，方向性差，容易受外界环境的干扰。 2.1.3 超声波测距 超声波测距 是根据超声波遇到障碍物反射的特性进行测量的。超声波发射器向某 一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播碰到障碍物就立即 被反射 回来，超声波接收器收到反射波 后 就立即停止计时。测出发射超声波和接收到回波的时间差 T，然后 计算出物体间 距离 L。超声波测距比较耐脏污，即使传感器上有尘土，只要没有堵死就可以测量，可以在较差的环境中使用 ，而且制作简单，成本较低。 15 结论：通过比较发现无论是从精度，制作成本还是从可靠性方面来讲，超声波测距比红外线测距，激光测距
15、都做得好。超声波受环境因素的干扰小，即使是在很恶劣的环境当中，他也能够保证测量精度与准确度，而且利用超声波测 距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。 2.2 课题达到的技术要求： 1.利用超声波测出物体间的距离。 2. 数码管显示测量结果 。 3.本制作的测量范围在 0.35m 10m。 3 硬件电路及工作原理 3.1 超声波测距仪的总体工作原理 超声波测距由超声波传感器发出的超声波脉冲信号，借助空气媒质传播，到达被测量目标或障碍物后被反射回来，其所经过的时间与超声波传播的路程有关，根据其传播速度和传播时间计算出其传播距离。 17如图 3-1 所示： 图 3-1 超声波测距原理 超声波传感器向测量目标发射 超声波， 在发射的同时 计数器开始计时，当超声波传感器接收到反射回来的波后，计数器就停止计时，测出超声波从发射到接收的时间差 t，从而由公式 (3-1)得： tvs 21 （ 3-1） 即可算出传感器与测量目标间的距离 s。 测量距离 ： 发 射 接 收 S d h
