数字信号处理课程设计-超声波测距系统设计.doc

吉林建筑工程学院 电气与电子信息工程学院 《传感器与检测技术》课程设计 设计题目： 超声波测距系统设计 专业班级： 信科072 学生姓名： 刘贺 学 号： 指导教师： 王超 杨佳 设计时间： 2010.12.20－2010.12.31 一、课程设计目的 通过《传感器及检测技术》课程设计，使我掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。 二、设计内容及要求 （一）设计内容 超声波测距系统设计 采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。 功能： （1）LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。 （2）测量范围：30cm～200cm， （3）误差＜0.5cm。 （4）其它。 （二）设计要求 （1）掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。 （2）独立设计原理图及相应的硬件电路。 （3）设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。 三、传感器工作原理 (一)基本介绍 超声波传感器是利用超声波的研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 　　以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。　　以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。　　超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如和也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。 组成部分超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，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，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声接收波换能器。超声测距大致有以下方法：取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，测距原理如图所示，距离公式为s=ct/2，其中c为声速。通过测量发射与接受装置之间的距离h， 利用直角三角形可求得。因为sh，则ds，d=s= ct/2。本测量电路采用第二种方案。 图1测距原理图 在空气中，常温下超声波的传播速度是334米/秒，但其传播速度v易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1℃，声速增加约0.6米/秒。声速与温度关系如表所示。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过对温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式可近似如下： V=331.5+0.607T 这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差t以及现场环境温度T，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。 表声速与温度关系表： （℃）-30 -20 -10 0 10 20 30 40 声速（m/s）313 319 325 332 338 344 350 356 四、系统框图 图3 系统框图 五、单元电路设计原理 （一）LED显示电路与键盘控制电路设计 显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简