XX 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告題目 超聲測(cè)距電路設(shè)計(jì)制作專 業(yè) 名 稱 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 填 表 日 期 20xx 年 04 月 09 日一、選題的依據(jù)及意義：設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距儀。要求能夠?qū)崿F(xiàn)利用超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定的顯示測(cè)量結(jié)果?？捎糜谌缙?chē)倒車(chē)提醒、液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等不能直接接觸測(cè)量的場(chǎng)合，也可應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)、航海、宇航、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域 1。超聲波簡(jiǎn)介：超聲波是頻率高于 20000 赫茲的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名。 超聲波具有如下特性： (1)超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 (2)超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 (3)超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 (4)超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。超聲效應(yīng):當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，包括以下4 種效應(yīng): 機(jī)械效應(yīng)、空化作用、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng) 2。 超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法 3。由于超聲波指向性好,能力消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn),因而超聲波經(jīng)常被用于距離的測(cè)量,利用超聲波檢測(cè)距離設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,計(jì)算處理也比較簡(jiǎn)單,并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到日常使用要求。超聲波是一種頻率在 20khz 以上的聲波，作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕悍瓷?、折射、干涉、衍射和散射，與物理聯(lián)系緊密，應(yīng)用靈活。并且更適合于高溫、高粉塵、高濕度和強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。無(wú)論從精度還是可靠性方面，超聲波測(cè)距都做得比較好。利用超聲波測(cè)距往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。具有廣泛的應(yīng)用前景。二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)：歷史上使用超聲波來(lái)測(cè)量距離是從第二次世界大戰(zhàn)時(shí)海軍的聲納技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始。聲納是一種利用聲波在水下測(cè)定目標(biāo)距離和運(yùn)動(dòng)速度的儀器。經(jīng)過(guò)相關(guān)科技工作人員的研究超聲測(cè)距的理論已經(jīng)非常的明確，各種類(lèi)型的儀器都發(fā)展成熟并且在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。 現(xiàn)在超聲波測(cè)距系統(tǒng)越來(lái)越注重其實(shí)用性，因此現(xiàn)在單片機(jī)和超聲波測(cè)距系統(tǒng)開(kāi)始緊密結(jié)合起來(lái)。比如說(shuō)，汽車(chē)內(nèi)置的倒車(chē)防撞系統(tǒng)，潛水艇的音波發(fā)射系統(tǒng)，醫(yī)學(xué)器械的檢測(cè)系統(tǒng)，工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別等方面都在大量使用單片機(jī)來(lái)完成其各個(gè)任務(wù)。這說(shuō)明，現(xiàn)在在超聲波測(cè)距方面，單片機(jī)的使用正在成為主流。這可歸結(jié)為三個(gè)原因：一是單片機(jī)的成本低廉，對(duì)于現(xiàn)如今測(cè)距系統(tǒng)在很多領(lǐng)域都大量使用的形式下，單片機(jī)所節(jié)省的制作成本可以更好地用于其它方面，大大提高了社會(huì)資源的合理分配：二是單片機(jī)系統(tǒng)方便快捷，現(xiàn)在所使用的單片機(jī)系統(tǒng)，絕大部分都可以實(shí)現(xiàn)程序的修改，因此單片機(jī)的使用使測(cè)距系統(tǒng)更能體現(xiàn)其靈活性，也使設(shè)計(jì)出的單片機(jī)系統(tǒng)能廣泛適用于各個(gè)領(lǐng)域 4。三是采用的是非接觸式測(cè)量，由于它具有不受外界因素影響，對(duì)環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，且操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)，大大解決了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器存在的問(wèn)題，從而得到廣泛的應(yīng)用。比如，在粉塵多情況下對(duì)人引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測(cè)物對(duì)測(cè)量?jī)x器腐蝕。此外該技術(shù)對(duì)被測(cè)元件無(wú)磨損，使測(cè)量?jī)x器牢固耐用，使用壽命加長(zhǎng)，而且還降低了能量耗損，節(jié)省人力和勞動(dòng)的強(qiáng)度。 超聲測(cè)距技術(shù)在各方面都將有很大的發(fā)展空間，他將朝著高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足嚴(yán)苛的測(cè)距需求，如研究具有高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲吶，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽的需要，繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖拽線陣列聲吶，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程得的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別。研制更適合于淺海工作的潛艇聲吶，解決淺海中目標(biāo)識(shí)別的問(wèn)題。然而超聲波測(cè)距在實(shí)際應(yīng)用也有很多局限性。由于超聲波在傳播過(guò)程中，聲壓會(huì)隨距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減，遠(yuǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)幅度小、信噪比低，用固定閥值的比較器檢測(cè)回波，可能導(dǎo)致越過(guò)門(mén)檻的時(shí)間前后移動(dòng)，從而影響計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，這必然會(huì)影響到測(cè)距的準(zhǔn)確度。另外就是構(gòu)成超聲波傳感器的壓電陶瓷片在壓電的雙向轉(zhuǎn)換過(guò)程中，存在慣性、滯后等現(xiàn)象，以及超聲波脈沖在空氣中傳播本身及多重的反射路徑，均導(dǎo)致回波信號(hào)被展寬，也使測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差，影響了測(cè)距的分辨率 5。其他如溫度，風(fēng)速等也會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的影響 10?，F(xiàn)如今高速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)和越來(lái)越智能化的社會(huì)生活來(lái)說(shuō)，超聲波測(cè)量技術(shù)還需要不斷發(fā)展，來(lái)滿足社會(huì)進(jìn)步的需要。現(xiàn)階段的超聲波測(cè)距還沒(méi)有到達(dá)頂峰，還有很大的發(fā)展空間，而怎樣實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)量技術(shù)的更智能化，更實(shí)用性，是今后超聲波測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方向。毋庸置疑，未來(lái)的超聲測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，隨著其它相關(guān)的電子技術(shù)的發(fā)展，更高精度，特種狀況下的超聲測(cè)距儀將會(huì)開(kāi)發(fā)出來(lái)。三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案： 1. 研究?jī)?nèi)容(1）了解超聲波測(cè)距原理。(2）設(shè)計(jì)出利用超聲波測(cè)距離的硬件結(jié)構(gòu)電路。 (3）可以實(shí)現(xiàn)以數(shù)字形式顯示測(cè)量距離。2. 試驗(yàn)方案圖 1 系統(tǒng)原理框圖2.1 試驗(yàn)設(shè)備本系統(tǒng)包括以下幾個(gè)部分：以單片機(jī) AT89C51 為核心，周?chē)娐钒@示電路、超聲波發(fā)射電路 6、超聲波檢測(cè)接收電路、驅(qū)動(dòng)電路等 7。 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)含 4kB 的只讀程序存儲(chǔ)器 ROM（可反復(fù)擦寫(xiě)，修改方便）及 128B的隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM8，對(duì)于只要求測(cè)量礦井內(nèi)部各部分距離的測(cè)距系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)量足夠使用。由于 AT89C51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，而且使用相對(duì)方便。在編程方面，AT89C51 單片機(jī)即可按照常規(guī)方式進(jìn)行編程，也可進(jìn)行在線編程，且可反復(fù)擦洗的程序存儲(chǔ)器也能方便的進(jìn)行程序修改，且比不可擦洗的存儲(chǔ)系統(tǒng)大大降低了其成本。2.2 系統(tǒng)工作原理(1) 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。圖 2 超聲波測(cè)距板原理圖 由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測(cè)距的公式表示為：L=C×T (1.1) 式中 L 為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C 為超聲波在空氣中的傳播速度；T 為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T 為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半) 910。 超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段 11。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，所以通過(guò)一些誤差分析，根據(jù)誤差產(chǎn)生原因做出相應(yīng)的補(bǔ)償就能提高測(cè)量的精度。如溫度對(duì)聲速的影響，時(shí)間測(cè)量的精度等。(2) 超聲波測(cè)距誤差分析 根據(jù)超聲波測(cè)距公式 L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。其中溫度影響為：01273cc 近似公式為： C=C0+0.607× (1.2) 式中，C0 為零度時(shí)的聲波速度 332m/s， 為實(shí)時(shí)溫度。四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度1. 研究目標(biāo)根據(jù)所了解的單片機(jī)知識(shí)，和超聲相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)出一個(gè)能正常工作的超聲測(cè)測(cè)距裝置，并且控制好一起的測(cè)量精度，和穩(wěn)定性。了解使用不同型號(hào)的芯片對(duì)測(cè)距儀器整體的影響。2. 主要特色（1）超聲波發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)：是選擇使用施密特振蕩器和數(shù)字功率放大電路的方案還是選擇使用 555 多諧振蕩器和數(shù)字功率放大器作為發(fā)射裝置、回波放大接收電路及比較電路作為接收裝置的方案。（2）直接將測(cè)量結(jié)果傳遞到 LCD 顯示單元。（3）顯示電路選擇什么樣的反向驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) PC 口作為 LCD 的位選控制口來(lái)提高其顯示亮度，（4）整個(gè)裝置的造價(jià)便宜，原理簡(jiǎn)單，用途較廣。3. 工作進(jìn)度20xx.3.0920xx.4.10 查閱資料，對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行初步規(guī)劃,整理資料 。20xx.4.1120xx.4.19 查閱外文資料，翻譯論文和撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，購(gòu)買(mǎi) 設(shè)計(jì)使用的器材。20xx.4.2020xx.4.30 對(duì)所選擇的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和認(rèn)知，以進(jìn)行下一步設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng),并畫(huà)出其結(jié)構(gòu)圖。20xx.5.0420xx.5.15 將電子零部件焊接好調(diào)試儀器的性能。20xx.5.1620xx.5.31 對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn),完善測(cè)量系統(tǒng)。20xx.6.0120xx.6.26 撰寫(xiě)畢業(yè)論文,準(zhǔn)備答辯，畢業(yè)答辯。5、參考文獻(xiàn)1 韓贊東.超聲定位技術(shù)在汽車(chē)安全預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用J .測(cè)控技術(shù), 2002, 13(8): 4546.2 超聲波探傷編寫(xiě)組. 超聲波探傷M. 電力工業(yè)出版社 , 1980.3 李麗霞.單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用電子技術(shù)J電子工業(yè) , 2002, 9(6): 3638.4 周潤(rùn)景等.Proteus 在 MCS-51&ARM7 系統(tǒng)中的應(yīng)用百例M.電子工業(yè)出版社,2006.5 BIRD C.Quality control of friction stir welds by the application of non-destructive testingC. 4th International Symposium on Friction Stir Welding,4th International Symposium on Friction Stir Welding, california of USA,2003,2003:3942.6 童詩(shī)白 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.第四版. 高等教育出版社 ,2006.7 楊自棟.簡(jiǎn)易超聲波測(cè)距儀的軟硬件設(shè)計(jì)M. 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程出版社 ,2005.8 鄭初華. 匯編語(yǔ)言微機(jī)原理及接口技術(shù)M.第二版. 南昌：電子工業(yè)出版社,2010. 9 吳運(yùn)昌模擬電子線路基礎(chǔ)M華南理工大學(xué)出版社， 2004.10 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.第五版. 高等教育出版社 , 2006.11 韓志軍等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.