单探头超声波测距装置的研制
摘 要超声波是频率在20kHz以上的声波，它的传播规律遵循普通机械波在介质中的规律，超声波在介质中传播方向性好，传播距离远，受干扰小，随着科技水平的不断提高，超声波测距技术在人们日常工作和生活有广泛应用，而研究超声波测距技术有现实意义。?本测距系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。整个系统将温度补偿法和参考测距法的两种测距方法结合，设计出了一款既新颖又实用的产品。本测距系统采用以性价比高、精度高、微型化数字显示的STC12C5410AD微处理器为核心，超声波测距装置的硬件电路主要包括微处理器模块、电平转换及锁存模块、显示模块和电源供电电路等。微处理器发送一个脉冲CLK信号选通一组传感器工作，同一时间，微处理器的计时器开始计时，超声波发射后遇到障碍物后按原路返回，经过电平转换电路,会返回一个ECHO信号给微处理器,计数器停止工作并得到测量时间。其中通过温度补偿法或者参考测距法对声波在空气中的传播速度进行校正，温度补偿法通过温度传感器对温度进行测量后,通过程序对速度进行校正,参考测距法是设置一组参考传感器，测量固定距离即可得到当前速度，两种方法可以任意切换，都可实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、驱动子程序、中断子程序等模块组成。它控制微处理器进行信号发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在LCD上。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1系统研究的背景和意义 1
1.2超声波测距的发展 1
1.3超声波测距装置的广泛应用 2
1.4本课题主要内容 3
第二章 超声波测距技术 4
2.1超声波简介 4
2.2超声波换能器介绍 4
2.3超声波测距原理 5
2.4 超声波测距系统方案选择 7
2.4.1系统方案介绍 7
2.4.2发射脉冲宽度 8
2.5 本章小结 8
第三章 单探头超声波测试系统硬件的实现 9
3.1 MCU核心控制单元 9
3.1.1 MCU核心控制单元的选定 9
3.1.2 MCU控制I/O口资源分配 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
3.1.3 MCU软件开发平台 10
3.2 电平转换及锁存电路 11
3.3 温度补偿模块 13
3.4 显示模块 14
3.5 控键模块 15
3.6 方案设计原理图及PCB绘制 16
3.6.1系统原理图 16
3.6.2 PCB电路的抗干扰处理 16
3.7 本章小结 17
第四章 开关电源供电模块 18
4.1开关电源技术 18
4.1.1开关电源结构 18
4.1.2开关电源控制技术 19
4.1.3开关电源的发展趋势 19
4.2 5V BUCK开关电源 19
4.3 12V SEPIC开关电源 20
4.3.1 LTC38035介绍 21
4.3.2 1030V输入，12V输出电源设计 21
4.3.2 电感设计及计算 22
4.4 本章小结 24
第五章 超声波测距系统软件设计 25
5.1 软件设计框图 25
5.2 LCD多级菜单 26
5.3?实现重要功能的程序分析 27
5.3.1?初始化 27
5.3.2实现温度补偿声速的功能 28
5.3.3 实现温度读取功能 29
5.4 本章小结 30
第六章 总结与展望 31
6.1 总结 31
6.2 展望 32
参考文献 33
致 谢 35
附 录 36
附录1 实物图及PCB 36
附录2 攻读学士学位期间主要工作与成果 39
附录3 外文文献原文 40
绪论
1.1系统研究的背景和意义
距离测量的方法有很多，根据不同的载体可分为无线电法、光学法和超声波法[1]。随着科学技术的发展，接触式测距的方法出现了很多种如激光、超声波及红外线等。其中激光测距虽然测距精度高，操作简单，但是系统检测维护不便，受环境的影响较大，且价格相对昂贵，多应用在军事领域。红外线属于电磁波的一种，红外传播速度为，而超声波是机械波，在空气中的传播速度约为，实现起来更容易且不受电磁干扰影响[2]。可见超声波的传播速度相对电磁波不是同一数量级，在所需测量距离相等的情况下，超声波的传播时间远大于红外的传播时间，较长的时间差更容易捕捉也更方便测量。超声波在测距方面有以下突出的优点[3]:
(l)传播的介质环境适用范围广泛，可为空气、固体或液体等；
(2)对外界电磁场和光线不敏感，可用于有灰尘、黑暗、烟雾或电磁干扰强等恶劣环境中，可大大降低劳动强度；
(3)超声波传感器结构简单，费用低，体积小，信息处理简单可靠，易于集成化和小型化；
超声波具有以上特点被广泛应用于物体的距离、厚度、液位测量等领域，十分具有研究价值。
1.2超声波测距的发展
一般认为，超声波的研究开始于1876年的气哨实验，这是人类首次产生有效高频声波。之后的三十年，超声波的研究并没有大程度的进展，直到第一次世界大战时，超声波技术的研究才得到了重视 [4]。
直到1929年，Sokolov提出使用超声波来探测金属物内部。时隔2年，Mulhauser获得了一项有关超声检测的德国专利，不过他没有继续研究有关问题。之后，德国人Bergrnann在他的著作中详细的讲解了超声波相关的大量资料，而这本著作一直被超声波领域的研究者认定为经典之作。而让超声波技术得到了很大进展的是美国的Firestone和英国的Sproulels发明了脉冲回波探伤仪[5] [6]，当时这款仪器是最成功的一种，它的测试结果十分容易被人理解，其除了可以通过手工检测外，还可与其他仪器联合使用，自从第一个脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，创造了各种各样的类似仪器，并在其基础上进行了许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是最广泛使用的一种。
我国的无损检测技术虽然起步较晚，但迅速的经历从没有到有，从低级引进其他国家的仪器水平逐渐发展到普及应用且自己发明创造的现阶段水平。我国超声波检测仪器的研制生产过程为：五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，其中大多数是笨重的电子管式仪器。五十年代末六十年代初，国内科研单位从荷兰进口的超声仪，并进行仿制生产。之后，上海同济大学研制出CTS一10型非金属超声检测仪[7]，也就是电子管式，该仪器性能很稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，工业及市场使用较少。直至七十年代中期，无损检测技术仍处于试验阶段，也未推广普及，仪器也就没有多大发展。
1976年，国家建委主持召开全国建筑工程检测技术交流会后 ，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子技术的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，加快了无损检测技术的推广普及。1978年10月，中国建筑科学院研制出JC一2型便携式超声波检测仪。与国内同类产品相比，功能齐全设计，新颖合理，在仪器设计上有重大创新和突破，达到了国际先进水平。随后，我国的超声波技术的整体水平有了长足的发展[8] [9]。
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1系统研究的背景和意义 1
1.2超声波测距的发展 1
1.3超声波测距装置的广泛应用 2
1.4本课题主要内容 3
第二章 超声波测距技术 4
2.1超声波简介 4
2.2超声波换能器介绍 4
2.3超声波测距原理 5
2.4 超声波测距系统方案选择 7
2.4.1系统方案介绍 7
2.4.2发射脉冲宽度 8
2.5 本章小结 8
第三章 单探头超声波测试系统硬件的实现 9
3.1 MCU核心控制单元 9
3.1.1 MCU核心控制单元的选定 9
3.1.2 MCU控制I/O口资源分配 10
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
3.1.3 MCU软件开发平台 10
3.2 电平转换及锁存电路 11
3.3 温度补偿模块 13
3.4 显示模块 14
3.5 控键模块 15
3.6 方案设计原理图及PCB绘制 16
3.6.1系统原理图 16
3.6.2 PCB电路的抗干扰处理 16
3.7 本章小结 17
第四章 开关电源供电模块 18
4.1开关电源技术 18
4.1.1开关电源结构 18
4.1.2开关电源控制技术 19
4.1.3开关电源的发展趋势 19
4.2 5V BUCK开关电源 19
4.3 12V SEPIC开关电源 20
4.3.1 LTC38035介绍 21
4.3.2 1030V输入，12V输出电源设计 21
4.3.2 电感设计及计算 22
4.4 本章小结 24
第五章 超声波测距系统软件设计 25
5.1 软件设计框图 25
5.2 LCD多级菜单 26
5.3?实现重要功能的程序分析 27
5.3.1?初始化 27
5.3.2实现温度补偿声速的功能 28
5.3.3 实现温度读取功能 29
5.4 本章小结 30
第六章 总结与展望 31
6.1 总结 31
6.2 展望 32
参考文献 33
致 谢 35
附 录 36
附录1 实物图及PCB 36
附录2 攻读学士学位期间主要工作与成果 39
附录3 外文文献原文 40
绪论
1.1系统研究的背景和意义
距离测量的方法有很多，根据不同的载体可分为无线电法、光学法和超声波法[1]。随着科学技术的发展，接触式测距的方法出现了很多种如激光、超声波及红外线等。其中激光测距虽然测距精度高，操作简单，但是系统检测维护不便，受环境的影响较大，且价格相对昂贵，多应用在军事领域。红外线属于电磁波的一种，红外传播速度为，而超声波是机械波，在空气中的传播速度约为，实现起来更容易且不受电磁干扰影响[2]。可见超声波的传播速度相对电磁波不是同一数量级，在所需测量距离相等的情况下，超声波的传播时间远大于红外的传播时间，较长的时间差更容易捕捉也更方便测量。超声波在测距方面有以下突出的优点[3]:
(l)传播的介质环境适用范围广泛，可为空气、固体或液体等；
(2)对外界电磁场和光线不敏感，可用于有灰尘、黑暗、烟雾或电磁干扰强等恶劣环境中，可大大降低劳动强度；
(3)超声波传感器结构简单，费用低，体积小，信息处理简单可靠，易于集成化和小型化；
超声波具有以上特点被广泛应用于物体的距离、厚度、液位测量等领域，十分具有研究价值。
1.2超声波测距的发展
一般认为，超声波的研究开始于1876年的气哨实验，这是人类首次产生有效高频声波。之后的三十年，超声波的研究并没有大程度的进展，直到第一次世界大战时，超声波技术的研究才得到了重视 [4]。
直到1929年，Sokolov提出使用超声波来探测金属物内部。时隔2年，Mulhauser获得了一项有关超声检测的德国专利，不过他没有继续研究有关问题。之后，德国人Bergrnann在他的著作中详细的讲解了超声波相关的大量资料，而这本著作一直被超声波领域的研究者认定为经典之作。而让超声波技术得到了很大进展的是美国的Firestone和英国的Sproulels发明了脉冲回波探伤仪[5] [6]，当时这款仪器是最成功的一种，它的测试结果十分容易被人理解，其除了可以通过手工检测外，还可与其他仪器联合使用，自从第一个脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，创造了各种各样的类似仪器，并在其基础上进行了许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是最广泛使用的一种。
我国的无损检测技术虽然起步较晚，但迅速的经历从没有到有，从低级引进其他国家的仪器水平逐渐发展到普及应用且自己发明创造的现阶段水平。我国超声波检测仪器的研制生产过程为：五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，其中大多数是笨重的电子管式仪器。五十年代末六十年代初，国内科研单位从荷兰进口的超声仪，并进行仿制生产。之后，上海同济大学研制出CTS一10型非金属超声检测仪[7]，也就是电子管式，该仪器性能很稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，工业及市场使用较少。直至七十年代中期，无损检测技术仍处于试验阶段，也未推广普及，仪器也就没有多大发展。
1976年，国家建委主持召开全国建筑工程检测技术交流会后 ，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子技术的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，加快了无损检测技术的推广普及。1978年10月，中国建筑科学院研制出JC一2型便携式超声波检测仪。与国内同类产品相比，功能齐全设计，新颖合理，在仪器设计上有重大创新和突破，达到了国际先进水平。随后，我国的超声波技术的整体水平有了长足的发展[8] [9]。
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