超声波测距仪的设计和实现开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、超声波及简介

超声波是指振动频率大于20KHz以上的声波，由于其震动的频率非常高，超过了人耳听觉的频率范围，因此人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波具有聚束、定向、反射、透射等性能，利用这些性能及其与其他物体作用产生的各种效果而制作的传感器叫做超声波传感器，由于其检测方便、迅速、计算方法简单且有较高的精度，所以在距离测量方面得到了广泛的应用。

二、非接触测距的意义

在现在的社会发展中，越来越多的场合需要精确且高效的距离测量，传统的测距方法在精确度和测量效率方便不能满足现代社会的需要，在电站，隧道等工程的建设和维护中都会需要用到距离的测量，而传统的接触式测量方法不能满足实际测量要求，因此，较为先进的现代非接触测量方法将得到较多的利用。

三、非接触测距技术的分类

非接触测距包括激光测距，雷达测距和超声波测距。

1、激光测距

激光测距是把激光器作为光源来测距的。根据激光工作的方式可分为脉冲激光器和连续机激光器。氦氖，氪镉，氩离子等气体激光器工作在连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器用于红外测距；红宝石，钕玻璃等固体激光器用于脉冲式激光测距。

2、雷达测距

雷达测距是采用电磁波探测目标对象的电子仪器。发射电磁波来照射目标并接收其反射的回波，由此得到目标到电磁波发射点的距离、移动速度、方位、高度等信息。

3、超声波测距

超声波测距是利用超声波来测量基准位置和物体表面之间距离的方法，被称作超声波测距法，由于超声波的传播速度比光速要小的多，故其传播时间较容易测量，并且易于定向发射，强度好控制，方向性好。

四、超声波测距仪相关技术理论基础

1、超声波测距的原理

超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样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，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为1：

L=s/2=(c t)/2 1

其中，L为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

2、温度补偿的理论基础

声波在空气中传播会受到温度、湿度、大气压强的影响，因此在超声波测距中，需要考虑到温度所带来的误差，因此需要设计温度补偿部分

超声波在空气中的传播速度公式为2：

2

式中，r为气体的比热；μ为气的摩尔质量；R为气体常数；T为热力学温度。

由上式可知，挡温度为0℃时，空气中声速实测值为331.45m/s，因此在空气中声速的表达式为3：

3

式中，t为空气温度（℃），T0=273.16℃

五、超声波测距仪系统结构、各模块分析及核心部件介绍

1、超声波测距系统的结构

结构图如下（图1）：

图1 超声波测距系统结构

按键电路控制处理器开始/结束测量，处理器向超声波发射电路发出开始发射指令，同时（并行）向超声波接收电路发出开始接收指令，并计算发出超声波与接收反射波的时间。温度补偿电路测出当前测量环境的温度并将其传送给处理器，处理器将测量的发射/接收时间和温度补偿电路测得的数据按照设定好的公式计算出数值（测试距离），然后将计算好的数值发送给语音电路和显示电路，语音电路播报出测得的数据，显示电路显示出测得的数据。

2、各个模块电路的具体分析

（1）超声波发射电路

超声波传感器的发射电路主要由方波发生芯片，40KHz和MAX232芯片构成，单片机给方波发生芯片触发信号后，方波发生芯片开始工作，产生40kHz的方波信号，电平转换芯片MAX232将TTL电平转换成可以驱动振荡器的高电压，进而产生所需的40kHz的超声波。

（2）超声波接收电路

当距离较远时，回波信号会非常微弱，转换后的信号电平幅值很小，故要经过若干级放大，使输出功率达到一定要求，并且为了防止信号出现较大的失真，接收电路可以保证有4MHz的带宽。放大后的交流信号送入比较器后输出一个方波信号，并使触发器触发，向CPU发出中断请求。在中断服务程序中，读取计数器的计数值，结合温度补偿后的声速计算出测距仪距离障碍物的距离。

（3）温度补偿电路

工作原理图如下（图2）

图2温度补偿电路的工作原理

图中低温度系数的晶振的振荡频率受温度很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，产生的信号作为计数器2的脉冲输入图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入计数器1和温度寄存器中，计数器1的温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值，计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲进行计数。如此循环直至计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中振荡器温度特性的非线性，以产生高分辨率的温度测量。其输出用于修正计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。由公式4

4

得出现场波速，实现温度补偿。

（4）语音电路

语音电路使用ISD17240芯片，该芯片提供多项功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示,独立和嵌入双模式，以及可定制的信息操作指示音效。芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。

（5）显示电路

通过数码管显示当前测量的距离，用SM420564四位共阴极数码管显示，该芯片优势在于可以直接与CPU相连便于驱动程序的编写，显示错误率极低。

3、核心部件简介

（1）单片机简介

单片机又称单片微机控制器，他与普通的完成某一个逻辑运算的IC不同，单片机是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机的优点是：体积小，价格低，质量轻，应用简单。

单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线等，但与市场上的个人PC机不同，单片机更倾向于完成某项专门的，不复杂的运算。它是一种在线式实时控制计算机，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和个人PC机的主要区别。

在生活中单片机无处不在，手机、汽车导航，VCD/DVD、洗衣机、电视机、医用设备等几乎所有的电子产品上都能找到他的身影。

单片机自动完成赋予它的任务，所谓的任务就是单片机所要执行的程序，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，例如：视频/音频处理、低通/高通/带通/带阻滤波器、低噪声功率放大等，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。

（2）超声波传感器

超声波传感器根据原理不同可以分为压电式、电磁式和磁致伸缩式等。其中压电式超声波传感器使用最为常见，他是根据压电效应的原理制作而成，既可以作为发射器也可以作为接收器使用，压电式超声波传感器是由压电晶片，保护膜，吸收块，引线等组成。

（3）温度传感器

温度传感器是指能够感受温度兵转换成可用输出信号的传感器。温度传感器品种繁多，按照传感器材料及电子元器件特性分为热电阻和热点偶两类，按照测量方式可以分为接触式和非接触式两大类。

六、总结

本课题研究超声波测距仪的研究与设计，能进一步提高自己的电路水平，深入队单片机的理解和应用，能与国际上较为先进的技术相接处，能使自己的实践能力加强，为以后参加工作奠定基础。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题研究的主要内容

为了实现准确测出物体之间的距离的目的，需要设计一个精准超声波测距的方案。拟采用单片机来控制超声波测距，信号线发射到与超声波发射器相连的信号端，超声波发射器向既定方向发射，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物将产生回波。由于超射波测距收到温度湿度的影响，所以需要通过与温度补偿模块配合计算得到较为精准的距离测量。

二、采用的研究手段

1、元器件及材料选择

超声波模块：选用价格低廉且实用的HC-SR04

控制核心部分：选择实用的STC89C52单片机即可满足计算和控制要求。

温度补偿的温度传感器：选择普遍且实用的DS18B20。

语音播报：采用华邦公司最新推出的语音芯片ISD17240

显示部分：选用四位数码管（共阴极）。

2、系统的硬件结构设计

图3 超声波测距系统硬件结构

系统硬件结构框图（图3）：

HC-SR04集成的发射电路模块发出超声波，遇到障碍物产生回波，被接收电路模块接收，STC89C52单片机统计出声波传输所用时间，经过温度补偿温，计算出正确的待测距离，同时ISD1730A根据相关数据处理进行组合播报当前测试距离，并且由数码管显示。