超声波测距开题报告

中 北 大 学 毕业设计开题 学 生 姓 名：   学 号：   学 院、系： 电子与计算机科学技术学院 电子科学与技术系 专 业： 电子科学与技术 设计题目： 超声波测距仪硬件电路设计     指导教师:           2010 年 12月 10 日 1．结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述： 文 献 综 述 1、课题来源及研究的目的和意义： 来源：导师拟定 目的：设计一个超声波测距仪。要求能够实现利用超声波进行距离测量，测量时以被测物体无直接接触，能够清晰稳定的显示测量结果。可用于如汽车倒车提醒、液位、井深、管道长度的测量等场合，也可应用于汽车倒车雷达、航海、宇航、石油化工等工业领域。 意义：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非接触式距离测量的方法。由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。超声波是一种频率在20khz以上的声波，作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性：反射、折射、干涉、衍射和散射，与物理联系紧密，应用灵活。并且更适合于高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰等恶劣环境下工作。无论从精度还是可靠性方面，超声波测距都做得比较好。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。具有广泛的应用前景。 二、国内外超声波测距研究现状： 历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。经过几个世纪，科学家们对此反复研究，最终发现了超声波的原理。 超声波测距应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，由于它具有不受外界因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精度高等优点而被广泛应用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。因此，利用超声波检测既迅速、方便、计算简单，又易于实时控制，在测量精度方面能达到工业实用的要求。 然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。由于超声波在传播过程中，声压会随距离的增大而呈指数规律衰减，远目标的回波信号幅度小、信噪比低，用固定阀值的比较器检测回波，可能导致越过门槛的时间前后移动，从而影响计时的准确性，这必然会影响到测距的准确度。另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，存在惯性、滞后等现象，以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，均导致回波信号被展宽，也使测量产生较大的误差，影响了测距的分辨率。其他如温度，风速等也会对测量造成一定的影响。 计量学在制造业中越来越重要。直接在机器上测量尤其能推动制造业的发展。目前为止大部分还是采用视觉的或触觉的测量方法。但是墙的厚度就不能用这些来测量，因此德国人把超声系统结合到机器设计出了测距方法。随着超声波的发展，早在2000年时英国人就设计出了可观察、识别并测距的超声波集成系统。 三、超声波简介： 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。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。 超声波具有如下特性： 1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2)超声波可传递很强的能量。 3)超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4)超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声效应:当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，包括以下4种效应: 机械效应、空化作用、热效应、化学效应。 四、超声测距技术简介： 1.超声波测距原理 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T (1.1) 式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，所以通过一些误差分析，根据误差产生原因做出相应的补偿就能提高测量的精度。如温度对声速的影响，时间测量的精度等。 图1.1 超声波测距板原理图 2、超声波测距误差分析 根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。其中温度影响为： (1.2) 近似公式为：C=C0+0.607×θ 式中，C0为零度时的声波速度332m/s，θ为实时温度。 五、主要芯片介绍： 1、MSP430F149芯片简介： MSP430F149是一种新型的混合信号处理器，采用了美国德州仪器(Texas Instruments)公司最新低功耗技术(工作电流为0.1～400 mA )，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。 MSP430F149单片机主要具有如下特点: ① 低电压、低功耗。工作电压3.3V ，等待方式下工作电流为1.3m A，在RAM保持关闭工作方式下工作电流仅为0.7mA。 ② 具有12位的模数转换器(ADC12)，可以得到很高的精度，并且省去了使用专门的模数转换器给设计电路板带来的麻烦。 ③ 拥有大容量的存储空间。存储器方面包括多达60 k Flash ROM和2 k RAM，如此数量的存储空间完全可以满足程序及数据的需要。 ④ 两通道串行通信接口。可用于与计算机进行异步或同步串行通信。 ⑤ 硬件乘法器。该乘法器独立于CPU进行乘法运算的操作，在提高乘法运算速度的同时也提升了CPU的利用效率。 ⑥ 串行在系统编程。通过仿真器对程序进行下载，并通过专用软件对程序及单片机的工作状态进行监控，极大地方便了程序的调试 图1.2 MSP430F149芯片管脚分布图 2、CX20106A 红外线/超声波接受专用芯片简介： CX20106A的引脚注释： l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。 2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7Ω，C=3.3μF。 3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μF。 4脚：接地端。 5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。 6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。 8脚：电源正极，4.5V～5V。 图1.3 CX20106A芯片管脚图       毕业设计开题报告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 一、课题研究目标及内容： 1.目标:完成毕业论文、原理框图、印制板、程序代码、英文资料翻译一篇。 2.内容：1）了解超声波测距原理。 2）设计出利用超声波测距离的硬件结构电路。 3）可以实现以数字形式显示测量距离。 二、拟采取的研究方法及实施： 1.硬件设计 图2.1 系统原理框图 本系统包括以下几个部分：以单片机MSP430F149为核心，周围电路包括显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、驱动电路等。 采用MSP430F149来实现对CX20106A红外接收芯片的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。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。 二、软件设计 超声波测距软件设计主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中断程序及显示子程序组成。 1． 超声波测距器的算法设计 超声波测距的原理在前面已经介绍过了，即超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器R接收到，此时只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发射器与反射物体的距离。该距离的计算公试为： (2.1) 其中： 为被测物与测距仪的距离； 为声波往返的路程； 为声速； 为声波往返所用的时间。 2.主函数 主函数程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式，置位总中断允许位EA。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时一段时间（这也是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是24MHz的晶振，计数器每计一个数是0.5us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波往返所用的时间）按试(2.2)计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20摄式度时的声速344m/s，则有： d=172m/s*T0=8/1000cm (2.2) 测出距离后结果将送往LED显示，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序流程图如下： 图2.2 主程序流程图 参考文献 [1] 高克成.超声物位计现状[J].声学技术，2002,Z1:47～50 [2]田静.声学一科学、技术与艺术[M].北京：科学出版社，2002.26～28 [3]许天增.超声传输特性和超声传感系统研究.厦门大学学报[J]，2001，40（2）：303～310 [4]董子和，李永辉.超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用[J].汽车电器，1997,1:2～3 [5]何希才.传感器及其应用电路[M].北京：电子工业出版社，2001.17～18 [6] R. 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