超声波身高测量仪毕业论文

南昌航空大学学士学位论文1目录第一章绪论..........................................11.1课题背景及意义............................................11.2国内外发展状况和需改进的地方..............................1第二章超声波测距原理................................42.1超声波简介................................................42.2超声波传感器..............................................52.3超声测距原理..............................................62.4盲区处理..............................错误!未定义书签。第三章超声波测距系统硬件设计方案论证...............83.1方案一....................................................83.2方案二....................................................83.3方案三....................................................93.4方案确定..................................................9第四章超声波测距系统硬件设计思路及调试.............114.1设计要求.................................................114.2超声波测距系统的结构框图.................................114.3各功能模块电路介绍.......................................124.3.1超声波产生电路.....................................124.3.2驱动电路模块.......................................134.3.3接收放大电路模块...................................144.3.4峰值检波模块.......................................154.3.5电压比较器模块.....................................164.3.6电平转换模块.......................................174.3.7温度测量模块.......................................184.3.8键盘显示电路.......................................204.4超声波测距系统硬件调试...................................24第五章超声波测距系统软件设计及调试.................265.1超声波测距系统程序设计流程...............................26南昌航空大学学士学位论文25.1.1主程序设计流程.....................................265.1.2距离计算流程......................................275.2软件调试.................................................28第六章超声波测距系统最终调试.......................29第七章总结.........................................317.1研究结论.................................................317.2本系统的不足和需改进的地方...............................31参考文献............................................32致谢................................................33附录A超声波测距系统硬件电路图....................33附录B超声波测距系统软件程序......................34南昌航空大学学士学位论文1第一章绪论1.1课题背景及意义利用超声波测量己知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。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。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种非接触式的测量所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。目前基于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。本文结合超声波精确测距的需要，分析了影响超声波测距精确的多种因素，进行了系统的硬件设计和软件设计，来有效提高超声波测距系统的精度。1.2国内外发展状况和需改进的地方一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。南昌航空大学学士学位论文2国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。《超声波测距精度的探讨》[1]一文中提到测量回波用到门限值的方法来测量回波的真实时间。选取一定的门限值，接收回波的包络线大于门限值时确定为回波到达的时间。回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的75％作为门限值，测出时间，由此计算出超声波真实的到达时间。此方法对第3个波近似计算为波峰的75％，所以对精度要求较高的测量并不足够。《超声波测距误差分析》[2]认为收发换能器分离比一体化更减少盲区距离。提出减小盲区的改善措施可以减少发射波串的长度，发射波频率增高，波长减小，可以减少绕射，还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。这些措施也有一定限度，例如：发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。发射波频率加高受到换能器特性限制，同时，发射波频率加高使超声波在媒介中的衰减大幅度加剧，使作用距离下降。《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》[3]提出一种比较有效的测量回波方法。它对回波包络线进行峰值检测作为回波时间点。传统的测量方法，以接收信号的幅值超过系统所规定的阈值时的时刻作为停止计时信号。时间检出点是随距离变化而变化的，这种“时间检出点”的变化就产生了距离测量的误差。针对回波信号的特点，采用峰值时间点检出方法，首先回波将经过放大、滤波后的回波信号进行线性包络检波，然后对检波的输出信号进行微分处理，最后对微分电路的输出进行零点交叉检测，即可得到回波信号的峰值时间，此时无论被测距离远近，即在回波信号包络线的峰值点。《一种高精度超声波测距处理方法》[4]提出一种基于归一化包络曲线方程的抗起伏信号处理方法。处理步骤为：1．用一定的检测方法计算出方程中的起伏参数：2．根据包络方程推算出回波的理想前沿；3．得到准确的声波传输时间；4．乘声速除2即得距离。这种方法从软件算法上计算回波时间点，过程过于复杂，有效性不清楚。不如南昌航空大学学士学位论文3《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》的方法简洁。且对于本系统指令响应要求高，单片机存储空间有限，较复杂的算法并不适用于本系统。《用于微地形探测的超声波测距系统》[5]通过软件编程和硬件方法，在绕射波有效阶段封闭CPU中断申请，躲避有效干扰。此方法能解决超声波绕射问题，但是会增加盲区范围。此文论述到处理这种串绕信号一般有两种方法：(1)通过软件编程从开始发射到虚假反射波结束时清零，从而使其不会向CPU发出中断申请，即可有效躲避干扰。(2)采用74LS74A构成双D触发器，使比较后的信号仅在超声波反射时间内输出为高电平，在从发射到接收到虚假反射波这段时间内置0，从而在接收到串绕信号时也不会发出中断请求。通过这两种方法都能够有效地躲过串绕信号，但同时也会形成盲区，系统的盲区约为lOOmm左右。对于本系统并不适用。《自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究》[6]提出自动增益补偿电路使误差控制在0．2mm至0．5mm之间，并减少测距盲区，盲区范喇为6-7cm。此方法对提高精度和减少盲区都较有效。在软件编写的动态改变发射功率时可以作参考。简而言之，综述研究现状，虽然某些研究方法仍存在不足和困难的地方，但也可看到一些优秀的测量方法，应取其精华，去其糟粕。但总的来说，论文中系统的盲区范围较大，一般有lOcm左右距离，个别较好的有4-6cm距离。根据超声波测距的原理，设计了以51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统，考虑到单片机测量精度受到内部主振频率或参考频率的限制，从硬件电路设计角度出发，采用了一种单片机外部硬件扩展计数电路，通过升高计数的参考频率来提高了测距系统的计时精度，以最终提高了系统的计时精度。经过实验分析，效果良好。为了进一步提高超声波测距仪的测量精度和分辨力，又进行了设计改进，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，可有效地消除温度变化对精度的影响，从而提高了超声波往返时间的测量可靠性。南昌航空大学学士学位论文4第二章超声波测距原理2.1超声波简介超声波[7]简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是指声音超过了20KHz时称之为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。因为电磁波的传播速度为8310m/s，而超声波在空气中的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同，即相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的:xktwxAAcos)((2.1)xeAxA0)((2.2)在公式中，A(x)为振幅，Ao为常数，w为圆频率，t为时间，x为传播距离，k=2∏/λ为波数，A为波长，a为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:2fa(2.3)式中，a为介质常数，f为振动频