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1、南京航空航天大学毕业设计（论文）开题报告学 院专 业题 目高精度超声波测距仪的设计和实现学生姓名 学号 毕设地点指导教师 职称 2011年 3月 22日1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写15002000字左右的文献综述：超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确
2、高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波属于机械波的范畴，超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。如今，人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。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。超声波测量在国防航空航天、
3、电力石化、机械材料、医疗等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量保障安全，还可以起到节约能源，降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉，使用方便的优点，有利于工程实际使用。近十年来，由于微机技术，现代电子技术，信号处理技术以及超声波产生和接收技术的发展，突破了常规超声测量的限制，进一步开拓了其适用范围。由此可见，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，利用超声波测距，在许多方面有很多优势。总
4、之，本课题的研究是非常有实用和商业价值。 参考现阶段的超声波测距仪设计和应用，从技术角度上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。通过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
5、障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往
6、返的时间，即可求得距离。根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LCD数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，其中硬件部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT80C52来实现对超声波转换模块、语音电路和显示电路的控制。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 软件部分主要有主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序。其中超声波测距系统的核心电路设计如下：1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用TCT-40的压电
7、陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行程序来产生。前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头TCT-40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。 2、超声波的接收与处理 接收头采用与发射头配对的TCT-40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=
8、1/1.1R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV，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。 主要参考文献：1、单片机原理与应用作者: 刘湘涛等主编 出版社: 电子工业出版2、单片机实例指导作者:李光飞 楼然苗等主编出版社:北京航空航天大学出版社3、ADC0808/ADC0809 8-BituPCompatibleA/D Converters with 8-channel Multiplexer。4、 A Mobile Robot Localization Using Ultrasonic Sensors in Ind
9、oor Environment 2. 毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：超声波发生器的选择问题。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。 本次设计的超声波传感器采用压电效应的传感器，材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时选择频率高的传感器，而长距离的测量时选择低频率的传感器。回波处理方式的选择问题。回波的处理方式上有相位差法与脉冲回波法。本次设计采用由超声波换能器接收端获得调制声波的回波，经放大电路转换后，得到
10、与放大的相位完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。由于采用的是相位比较，使得测距精确度大大提高。根据设计要求并综合各方面因素，本次设计采用AT89S52单片机作为控制器，用动态扫描法实现LCD数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。并通过西门子TC35I GSM短信模块实现将测得数据无线传输至手机显示。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）：指导教师签字:年月日系审查意见：系主任签字：年月日说明：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，经导师签署意见及系审查后生效。