超声波测距系统设计..doc

目 录 1 绪 论 3 1.1 课题研究背景 3 1.2 课题设计目的及意义 3 1.3 课题设计任务与要求 3 2 方案选择的论证和选择 5 2.1 设计方案一 5 2.2 设计方案二 5 2.3 方案设计三 6 3 设计原理 7 4 硬件设计 8 4.1 整体电路设计 8 4.2超声波测距系统设计 9 4.2.1 超声波发射器的注意事项 9 4.2.2 超声波发射与接收装置 10 4.3 显示电路设计 11 4.4 稳压电源设计 12 4.5硬件电路设计优化 13 4.5.1 提高测距的范围 13 4.5.2 发射探头和接收探头间的影响 13 4.5.3 超声波的衰减 14 4.5.4 系统干扰因素 14 5 软件设计流程图 17 5.1 主流程图 17 5.2 温度读取程序 17 5.3 LCD显示程序 18 5.4 外中断服务程序 19 5.5 超声波发射接收程序 19 5.6 键扫子程序 20 6设计心得 21 参 考 文 献 22 附录 23 程序清单 231 绪 论 1.1 课题研究背景 超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 1.2 课题设计目的及意义 日常生活应用发面：人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市车辆逐渐增多，因为停车不当而造成的交通事故也越来越多。为了避免此类事故的发生，一个能够直观地测出汽车与障碍物之间的距离的装置就变得十分必要。它可以及时将车辆与障碍物之间的距离反映出来，给司机以更准确的信息和更多的反应时间，减少事故的发生；军事应用方面：超声波声纳已广泛应用于侦查探测等方面，如何提高其测量精度已是正在着重研究的课题之一，相信在不久的将来，超声波测距一定会在侦查反侦察方面起到更大的作用；工业应用方面：超声波测距仪的设计方便了管道的距离探测，消除了一些空间方面的限制，在其测量精度得到提升后，对一些精密设备的测量也将起到良好的效果。 1.3 课题设计任务与要求 设计一超声波测距仪，任务： 1）了解超声波测距原理。 2）根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。 设计一超声波测距仪，要求： 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)对设计的电路进行分析。 4)以数字的形式显示测量距离。 2 方案选择的论证和选择 2.1 设计方案一 采用单片机来控制的超声波测距仪是先由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，再由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：………………………………………2.1 图2-1 采用单片机来控制的超声波测距仪 2.2 设计方案二 采用CPLD来控制的超声波测距仪，主要是在软件上运用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）编写程序使用MAX + plus II软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。使用本方案的优点在于在超声波测距仪设计中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高频率可达175.4MHz，可用于组合逻辑电路、时序逻辑电路、算法、双端口RAM等的设计。充分利用了其多达128个宏单元、68pin可编程I/O口，使该器件可以将分频功能、计数功能、显示编码功能、振荡功能全部集于一体。又因其延时平均的特点，保证了测距结果精度高、响应速度快。缺点是方案中需要一块FPGA,一块双口RAM,还需要一块用来存储波形数据的EEPROM，那么设计的成本较高。同时在FPGA中还要用硬件描述语言(VHDL语言)编写程序来实现硬件电路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法复杂，所