超声波测距仪设计论文毕业论文.doc

超声波测距仪设计论文毕业论文 目 录 前 言 1 第一章 超声波测距系统工作原理 2 第一节 超声波概述 2 第二节 超声波传感器简介 3 一、压电式超声波传感器 3 第三节 超声波传感器原理 5 一、测距原理 5 二、超声波测量中盲区及近限和远限 5 三、提高测距仪的措施 6 第四节 超声波测距仪系统设计 7 一、论文设计内容 7 二、硬件设计内容 7 第五节 本章小结 8 第二章 系统硬件设计 9 第一节 电路原理设计 9 一、设计总体思路 9 第二节 主要元器件介绍 9 一、单片机STC89C52 9 二、超声波传感器HC-SR04 11 三、显示电路LCD1602 14 四、按键电路 22 五、下载电路 22 第三节 本章小结 24 第三章 系统软件设计 25 第一节 软件设计总体方案 25 一、主程序设计总体思路 25 二、测距子程序软件设计 26 三、显示程序设计 27 四、按键程序设计 29 第二节 本章小结 31 第四章 超声波测距的误差分析 32 第一节 超声波测距测量结果 32 一、测量结果 32 二、误差分析 32 第二节 本章小结 34 结 论 35 致 谢 36 参考文献 37 附 录 38 一、英文原文 38 二、英文翻译 44 三、电路图 49 四、源程序 50 第一章 超声波测距系统工作原理 第一节 超声波概述 声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声波。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。 声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为344m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。 声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可有精确的理论公式，有的关系比较间接而复杂，但在特定条件下，也可建立一些经验公式，例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等，都可以与声速建立一定关系，这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化，因此出现了超声温度计和超声流量计等。在声速已知的介质中，可以利用身波传播距离L和传播时间t的关系L=vt，进行超声测距，超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。 声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。 由物理学可知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波型相同时，波速相同，入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比。 超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度ρ与声速c的乘积，用Z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利(rayl)。 超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生原因可分为三个方面: ① 由于波前的扩展而产生的能量损失； ② 超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减； ③ 由于介质内耗所产生的吸收衰减。 第二节 超声波传感器简介 一、压电式超声波传感器 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。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，这时它就成为超声波接收器了。 目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效