1、江西理工大学 13 届专科生毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 1.1 课题设计目的及意义 1.1.1 设计的目的 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目 前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在 蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新 型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高 精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具 有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发 展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远
2、程的被动探测和识别；研制 更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇 自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智 能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步， 测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新 的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。 1.1.2 设计的意义 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工 工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距 系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提
3、高自己的 电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2 超声波测距仪的设计思路 1.2.1 超声波测距原理 发射器发出的超声波以速度在空气中传播，在到达被测物体时被反射返 回，由接收器接收，其往返时间为 t，由 s=vt/2 即可算出被测物体的距离。由 于超声波也是一种声波，其声速 v 与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声 速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度 要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 江西理工大学 13 届专科生毕业设计（论文） 2 表 1-1 超声波波速与温度的关系表 温度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100
4、 声速 （ms） 313 319 325 323 338 344 349 386 1.2.2 超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出 40kHZ 的信号， 经放大后通过超声波发射器输出； 超声波接收器将 接收到的超声波信号经放大器放大，进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得 时间为 t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送 LED 显示。 图 1-1 超声波测距仪原理框图 1.3 课题设计的任务和要求 设计一超声波测距仪，任务： (1).了解超声波测距原理。 (2).根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。 设计一超声波测距仪，要求： (1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。
5、 (2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而 实现利用超声波方法测量物体间的距离。 (3).对设计的电路进行分析。 (4).以数字的形式显示测量距离。 超声波发射器 放大电路 超声波接收器 放大电路 检波电路 定时器 单片机 控制 显示器 江西理工大学 13 届专科生毕业设计（论文） 3 第二章 课程的方案设计与论证 2.1 系统整体方案的设计 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。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单， 并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。 超声波发生器可以分为两
6、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、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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求 并综合各方面因素， 本文采用 AT89C51 单片机作为控制器， 用动态扫描法实现 LED 数字显示，驱动信号用单片机的定时器。 2.2 系统整体方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计 算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另 一端接收，直接接收波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收 的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压 电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。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，故短距离测量时应 选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。 江西理工大学 13
