《超声波测距仪设计》PPT课件

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超声波发射电路模块
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发射模块工作原理
发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T组成， 单片机P1.0端口输出的40 KHz方波信号一路经反向器后送 到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到 超声波华能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号 加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输 出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻 R10,R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动 能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短 其自由振荡的时间。
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超声波发生子程序和接收中断程序
用单片机编程产生40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定 义一个延时函数delays()，然后可用for 语句循环，并且循环一次同 时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() {} //延时函数 void main() {for(a=0；a<200；a++) //产生100 个40KHz 的方波 {P36=!P36； //每循环一次，输出引脚取反 delays() ； } }
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超声波信号的检测与处理
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单片机系统及显示电路模块
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显示模块工作原理
单片机采用AT89C51，采用12MHz高精度的晶振， 以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机 用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波 信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的 返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED 数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管 8550驱动。

技术难点
如何实现高精度的测距，以及在多障碍物环境下如何准确判断障碍物的 位置和距离。
实际应用案例二
案例名称
机器人避障系统
描述
在机器人避障系统中，通过安装超声波测距仪，机器人能够实时感 知周围环境，检测障碍物的距离，自动调整行进路线，实现自主避 障。
技术难点
如何处理复杂环境下的噪声干扰，以及如何提高测距的实时性和准确 性。
接收部分的软件设计
数据采集
编写软件程序，通过ADC （模数转换器）实时采集 接收到的超声波信号数据。
信号处理算法
根据实际情况，设计适当 的信号处理算法，如滤波、 去噪、特征提取等，以提 高测距精度。
数据输出
将处理后的数据输出到显 示界面或通过串口发送到 上位机进行进一步处理。
03 超声波测距仪接收部分调 试
实际应用案例三
案例名称
管道检测系统
描述
在管道检测系统中，通过将超声波测距仪搭载在管道检测 设备上，能够实时检测管道内部的状况，如管道的腐蚀程 度、堵塞情况等。
技术难点
如何克服管道内部的复杂环境，如液体、气体等对超声波 传播的影响，以及如何提高测距的精度和稳定性。
THANKS FOR WATCHING
此外，随着物联网和智能传感器技术的发展，超声波测距仪 在智能家居、智能安防等领域的应用也越来越广泛。
超声波测距仪的发展趋势
未来，随着材料科学、微电子技术和算法的进步，超声波测距仪将朝着 更小、更轻、更准确的方向发展。
新型材料和制造工艺的应用将有助于减小测距仪的体积和重量，提高其 便携性和灵活性。同时，随着算法的改进和数据处理能力的提升，超声
等措施。
测量误差大
总结词
测量误差大是超声波测距仪常见的问 题之一，表现为测量结果与实际距离 存在较大偏差。

超声在许多领域内比可听 声的用途更加广泛，是基于 以下凡个原因
1.具有方向性，超声波的频 率越高，则方向性越强。
2.在无损探伤、水下声纳系 统、超声测距系统中方向性
超声波测速原理
测量距离的方法有很多种，短距离的可以 用尺，远距离的有激光测距等，超声波测 距适用于高精度的中长距离测量。因为超 声波在标准空气中的传播速度为331.45米/ 秒，由单片机负责计时，单片机使用12M晶 振，所以此系统的测量精度理论上可以达 到毫米级。
J4 CON1
1
J1
U1
8 9C 51
8 7 6 5 4 3 2 1
1P1.0 2 3 4 5 6 7 8
P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17
J6 CON8 /K1E3Y
1
INT01 2
INT1/P 3 3 INT0/P 3 2
CON1
15 14
T1/P 3 5 T0/P 3 4
以下主要对发送电路、接收电路、显示电路与键盘的 接口电路的单片机管脚分配进行分析。
设计中我们使用1602C液晶来显示距离的数据变化、。 试验中我们选择MCU的I/O口P0和P2作为数码管的控 制端口。另外在发送电路和接收电路中采用CPU的11 管脚作为数据发送端和CPU的10管脚作为接收端。 EA（第31脚）为访问外部/内部程序内存选通信号。 由于程序量不大，利用89C51片内的4K程序内存足够， 不必使用外部内存，因此，EA接+5V。
二 调试开发环境 keil c51编译环境 单片机开发板
三 分析与设计
单片机电路原理分析 单片机电路在其中起决定性的中枢控制作用。 它首先负责对接收器接收到来自超声波接 受系统发来的数据，进行处理并且送入显 示电路。其次负责超声波发射器的发送控 制，此外单片机还负责对键盘的管理，实 现人机交互控制。

05 系统测试与优化
系统测试方案
01
02
03
测试环境
在室内和室外环境下分别 进行测试，以模拟实际应 用场景。
测试设备
使用高精度计时器和测距 仪作为参照设备，确保测 试结果的准确性。
测试方法
分别对测距仪的测距范围、 精度、响应速度等关键性 能指标进行测试。
系统测试结果
测距范围
在室内环境下，测距仪的最远测 距范围为10米，精度为±2厘米； 在室外环境下，最远测距范围为
超声波测距仪设计本科毕设
目录
• 引言 • 超声波测距原理 • 硬件设计 • 软件设计 • 系统测试与优化 • 结论与展望
01 引言
毕设背景
01
超声波测距技术在现代工业、医 疗、交通等领域有广泛应用，如 机器人避障、汽车倒车辅助、无 人机高度检测等。
02
随着技术的不断发展，超声波测 距仪在精度、稳定性、便携性等 方面仍有提升空间。
减小误差的方法
为了减小误差，可以采用高精度计时器和优化信号处理算法等方法。同 时，在实际应用中，需要注意环境温度对声速的影响，并进行适当的修 正。
03 硬件设计
超声波发射器设计
超声波发射器的作用
实际应用
超声波发射器是超声波测距仪中的重 要组成部分，负责产生超声波信号并 向外发射。
根据测距需求，选择合适的超声波频 率和功率，以确保测距精度和范围。
毕设目的
设计一款结构简单、 性能稳定、成本低廉 的超声波测距仪。
提高解决实际问题的 声波测距的基 本原理和实现方法。
毕设意义
为超声波测距技术的发展做出贡 献，推动相关领域的技术进步。
为本科生的实践能力和创新能力 培养提供支持，促进综合素质的

①设计出超声波测距仪的硬件结构电路； ②对设计的电路进行分析要求能够产生超声波，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以数字的形式显示测量距离，用蜂鸣器实现报警功 能。
三、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 度方面也能达到工业生产等自动化的使用要求。
解决汽车的倒车难问题目前有两种思路：一是寄希望 于汽车自动驾驶技术及其配套设施的日益成熟；二是采用 简单的汽车倒车预警系统 。
本次设计的汽车倒车系统属于第二种思路。
一、系统设计的背景及意义
◆系统设计的意义 ①将倒车自动化从被动防撞引向智能控制方向发展； ②体现了“以人为本”的驾驶理念； ③安全可靠的防碰撞预警； ④这一方案建立在安装小组件的基础上。 汽车倒车雷达预警系统的运用可极大地减轻驾驶者的
四位共阳led数码管五系统的硬件设计超声波发射电路五系统的硬件设计超声波检测接受电路六系统软件的设计主程序流程图六系统软件的设计子程序流程图全文总结在设计倒车雷达的硬件设计课题时通过查阅书籍搜集图书馆资料和老师的指导与生活中对超声波的工作原理的观察研究相结合基本完成了课题的要求
论文题目:倒车雷达系统 的硬件设计
五、系统的硬件设计
◆超声波发射电路
五、系统的硬件设计
◆超声波检测接受电路
六、系统软件的设计
◆主程序流程图
六、系统软件的设计
◆子程序流程图
全文总结
◆ 在设计倒车雷达的硬件设计课题时，通过查阅书籍、搜集 图书馆资料和老师的指导，与生活中对超声波的工作原理 的观察研究相结合，基本完成了课题的要求。但是，由于 设计理论的基础尚浅，对课题的研究经验还不够成熟，使 得在技术的解决与应用上显得粗糙了一些，在某些技术关 键上的叙述不能达到详细、精辟。

所设计出来的超声波测距系统各模块如下图· 1所示
二 ︓ 设 计 方 法
超声波接收器
放大电路
检波电路
报警系统
89c52单片机
超声波发射器
放大电路
显示模块
图· 1
三 ︓ 设 计 过 程
3.2.2 超声波接收电路设计 由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距 离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会 比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的 倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路 CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超 声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、 比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电 平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去 进行数据的处理。 CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能， 当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离 比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大 增益效果。
PNP s9012 12M 14PIN 16pin 40PIN 14pin 共阳极12pin 两个一对
1 1 1 1
10 2 2 2 2 2 2 2
1.2 1.44 0.94 1.44
0.05 0.16 0.1 0.1 0.21 3.17 1.8 5.47
电阻 电阻 电阻
三极管 直插晶振 插座 插座 插座 74LS04 4位数码管 分体超声 波收发器
总 结 报 告
超声波测距装置
I
电气
XX大学 XX学院
Hale Waihona Puke 项目名称：超声波测距装置项目负责人：XXX
项 目 简 介
组员：X 所在班级：X

声光报警
延时60ms
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软件设计
外部中断入口 读取定时器当前值入口
置测量成功标志入口 返回
外部中断子程序
显示初始化
显示 “Welcome to my Disitance meter!”
进入while循环
显示标志位置1 测量成功标志位 是否置1
显示Distance Result X cm
超声波测距原理
•超 声 波 ： 频 率 高 于 2 0 0 0 0 赫 兹 的 声 波 。 •超 声 波 的 发 射 和 接 收 原 理 ： • 本设计使用压电式超声波发生器。压电式超声波发生器实际上 是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。 当电极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压 电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之， 如果电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶 片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
显示Out os Range(0-4M) --------------------
显示流程
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温度对超声波测距精度的影响
本设计选定了20℃的声速344m/s，但由于实际温度并不固定声 速也并非定值，从而对超声波测距精度产生严重影响。 改进方法：
加入温度测量，使超声波测距仪根据现实温度修正声速
HC-SR04超声波模块
触发信号 模块内部发出信号
输出回响信号
10微秒
8个40KHz脉冲
HC-SR04模块工作时序图 第6页/共11页
软件设计
数据初始化 定时器初始化 显示初始化 进入While循环 超声波测量触发
No 有回波
否？ Yes

（2）吸收特性 ） 声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱， 声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱， 这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高， 这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介 质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害， 质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害， 在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。 在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。 （3）超声波的能量传递特性 ） 超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用， 超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比 声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢。 声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢。因为当声波进入某 一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动， 一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声 波频率—样 分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。 波频率 样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。 物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外， 物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分 子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能 子的振动速度的平方决定的 所以如果声波的频率愈高， 所以如果声波的频率愈高 得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多， 得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质 分子获得很大的能量；换句话来说， 分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大 的功率。 的功率。 （4）超声波的声压特性 ） 当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀 当声波进入某物体时 由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀 疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。 疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象 叫声压作用。 叫声压作用。

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研究 意义
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国内外相关研究综述
国内 现状
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超声波信号处理算法
信号滤波
去除噪声干扰，提高信号质量。
信号处理算法选择
根据实际情况选择合适的信号处 理算法，如FFT、小波变换等。
信号放大
将微弱的超声波信号放大，便于 后续处理。
信号解调
将调制的超声波信号解调为原始 信号。
数据存储与传
数据存储
将测量得到的距离数据存 储在本地存储器中，如SD 卡、硬盘等。
精度提升
随着技术的不断进步，超声波测 距的精度有望进一步提高，以满
足更精确的测量需求。
实时性增强
优化算法和硬件设计，提高超声 波测距的响应速度，实现更快速
的实时测距。
智能化集成
将超声波测距与其他传感器和智 能化技术结合，开发出更高效、
智能的测距系统。
未来研究方向
多传感器融合
研究如何将超声波测距与其他传感器（如红外、激光等）进行融 合，提高测距系统的综合性能。
数据传输
通过串口、蓝牙、WiFi等 方式将数据传输到上位机 或云平台，进行进一步的 分析和处理。
数据安全
对存储和传输的数据进行 加密处理，保证数据的安 全性。
Part
05
实验与测试
实验环境与设备
实验环境
室内、室外、无障碍物和有障碍 物等不同环境。
设备
超声波测距模块、微控制器、电 源、连接线等。
实验数据与分析
幅值法
通过比较超声波发射与接 收的信号幅值，判断距离 。当幅值低于预设阈值时 ，认为目标距离较远。
Part
03
硬件设备与搭建
超声波传感器
超声波传感器是实现超声波测距 的关键部件，它能够将电能转换
为声能，并向外发出超声波。
常见的超声波传感器有压电式、 磁致伸缩式和电磁式等，其中压 电式传感器因其结构简单、性能

超声波测距
二、系统的功能框架
1）、超声波测距电路
超声波发射电路 超声波接收电路
四、 系统软件设计
主程序流程图 测距流程图 EXT1外部中断流程图 温度补偿流程图 语音播报流程图
1）、主程序程图
2）、测距流程图
测距操作函数的程序流程图
单次测距函数的流程图
3）、EXT1外部中断流程图
（1）普通测试环境（图5-1）；
（2）温度随时改变环境（图5-2）。
表5-1
普通环境下超声波测距数据表
1) 测试采用的米尺存在一点的误差（米尺为手工画的）；
4）、温度补偿流程图
5）、语音播报流程图
表5-1
普通环境下超声波测距数据表
测距操作函数的程序流程图
3）、EXT1外部中断流程图
1) 测试采用的米尺存在一点的误差（米尺为手工画的）；
表5-1 普通环境下超声波测距数据表
图5-1 普通测试环境
图5-2
温度随时改变环境 表5-2
温度随时改变下的超声波测距数据
通过发现超声波测距器在不同环境下的测
试数据，得出一下结论：
（1）本设计基本完成设计目标。 （2）误差产生的原因有以下几点：
1) 测试采用的米尺存在一点的误差（米尺 为手工画的）；
（2）误差产生的原因有以下几点：
表5-2
温度随时改变下的超声波测距数据
通过发现超声波测距器在不同环境下的测试数据，得出一下结论：
EXT1外部中断流程图
图5-1 普通测试环境
（2）温度随时改变环境（图5-2）。
表5-1
普通环境下超声波测距数据表
测距操作函数的程序流程图
（1）普通测试环误差（米尺为手工画的）；
表5-2