超声波导盲仪原理

本科毕业设计（论文）

基于超声波测距的导盲仪设计

2014年 6 月

本科毕业设计（论文）

基于超声波测距的导盲仪设计

学 院：专 业：学生 姓名：指导 教师：答辩 日期：

摘要

摘要

盲人由于先天或后天的生理缺陷丧失了视觉功能，因而在日常生活和安全行走方面受到了很大的制约。所以，为了协助盲人安全行进，提高他们的生活能力与人身安全，世界各国一直在进行着电子导盲系统的研制。在此背景下，本文设计了一种基于超声波测距的导盲系统。大体上可分为两部分进行设计：测距系统与电源管理系统。

测距系统通过超声波的发送和接收来检测盲人周围各个方向上一段距离内的障碍物信息，并将其转化为声音信号，使盲人从中获知其周围的情况。本文是在基于STC89C52单片机控制的超声波测距原理的基础上，来确定目标范围内障碍物的存在，同时利用US-100超声波模块自带的温度补偿功能来提高系统的精确度。本设计采用的是US-100的串口触发模式，在软件设计中主要包括：串行口初始化函数、超声波发射函数、写字符函数、

超声波测距原理:

超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它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，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，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t／s，超声波传播速度为v／m·s－1

本文主要以U610为例介绍了数字超声波探伤仪的应用领域、性能特点、依据标准和技术指标等

数字超声波探伤仪

应用领域

ZBL-U610超声波探伤仪是一种便携式工业无损探伤仪器，它能够快速、便捷、无损伤、精确地进行工件内部多种缺陷（裂纹、疏松、气孔、夹杂等）的检测、定位、评估和诊断。用于检测各种材料（如钢、铜、铝、硬质合金、铸件、有机玻璃、复合材料等）的内部的缺陷、和焊缝质量，可有效检测出气孔、裂纹、疏松、夹杂、未焊透等缺陷，应用领域涉及锅炉、压力容器、航天、航空、电力、石油、化工、海洋石油、管道、军工、船舶制造、汽车、机械制造、冶金、金属加工业、钢结构、铁路交通、核能电力、高校等行业。 性能特点

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4 高分辨率彩色液晶显示，回波动态实时测量系统； 简洁的按键、触摸屏与按键结合为用户提供更快捷的单手操作模式。 用户可更换电池、可更换存储卡设计，为仪器长效工作免除后顾之忧； 支持U盘操作，实时进行数据备份和恢复；操作者不必担心自己的数据会被删除，数据随身走；

5 带有实时屏幕报警和模拟输出功能，两个独立的测量闸门，用于更广的应用范围的处理； 6 400 kHz到20MHz可选频率范围与探头匹配以达到最佳性能；

7 灵活的可配置测量结果显示功能，由操作者选择

超声波清洗的原理

由超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械震动而传播到介质--清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间地向前辐射，使液体流动而产生数以万计的微小气泡。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区迅速闭合。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1000个大气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落，从而达到物件表面净化的目的。相比其它多种的清洗方式，超声波清洗机显示出了巨大的优越性。尤其在专业化，集团化的生产企业中，已逐渐用超声波清洗机取代了传统浸洗、刷洗、压力冲洗、气相清洗和蒸气冲洗等工艺方法。超声波清洗机的高效率和高清洁度，得益于其声波在介质中传播时产生的穿透性和空化冲击波。所以很容易将带有复杂外形、内腔和细空的零部件清洗干净，对一般的除油、防锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准。这在许多对产品表面质量和生产率要求较高的场合，用其它处理方法难以达到目的，更突出地显示了超声清洗、超声处理的优越性和其不可取代的地位。

超声波清洗的作用机理主要有以

超声波原理图

超声波发射电路图

超声波电路主要是由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成的，使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40KHZ方波信号。一路经一级反相器（U1C与U1E并联组成一级）后送到超声波换能器的一个电极（T1的1脚）；另一路经两级反相器（U1D为第一级，U1B和U1A组成第二级）后送到超声波换能器的另一个电极（T1的2脚）。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R1,R2一方面可以提高反相器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。

超声波接收电路图

超声波原理图

超声波接收电路原理图如图所示，CX20106A是一款红外检测波接收 的专业芯片，常用于电视机红外遥控接收器。其优点是简单易用，电路连接简单，且减小了生产调试的麻烦。当CX20106A接收到40KHZ的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接收到ARM的外部中断引脚作为中断信号输出。

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能

◆超声波常识：

超声波的频率就是声源振动的频率。所谓振动频率，就是每秒来回往复运动的次数，单位是赫兹，简称赫。波是振动的传播，即把振动按原有的频率传递出去。所以波的频率就是声源振动的频率。波可以分为三种，即次声波、声波、超声波。次声波的频率为20Hz以下；声波的频率为20Hz~20kHz；超声波的频率则为20kHz以上。其中的次声波和超声波一般人耳是听不到的。超声波由于频率高、波长短，因而传播的方向性好、穿透能力强，这也就是为什么设计制作超声波清洗机的原因。

◆基本原理：

超声波清洗机之所以能够起到清洗污垢的作用，其过程是由下列引起的：空化、声流、声的辐射压力和声学毛细效应。

在清洗过程中，不洁物的表面会产生表面污垢膜的破坏、剥落、分离以及乳化、溶解等现象。不

【选题的意义及国内外研究现状】 随着科学技术的快速发展，超声波在测距工程中的应用将越来越广泛。相对于 其他测距方式，超声波测距具有成本低、精度高、使用方便、应用范围广等优点。 无论从精度还是可靠性方面，超声波测距均表现良好，且超声波测距易于做到实时 控制，因此，具有广泛的应用前景。 作为一种检测技术， 超声波测距采用的是非接触式测量， 由于它具有不受光线、 被测对象颜色、材质等因素影响，对环境有一定的适应能力，且操作简单、测量精 度高等优点而被广泛应用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决 了传统测量仪器存在的问题，比如，在较恶劣的环境(如含粉尘)中具有一定的适应 能力。超声波测距技术在自动化技术中应用较多，可以应用于汽车倒车雷达、建筑 施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于井深、液位、管道长度的测量等 场合。此外该技术对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且 还降低了能量耗损，节省人力和劳动的强度。纵观超声波测距仪在现实生产生活中 的应用情况，不难发现超声波测距仪的研究具有非常高的实用且价值和商业价值。 历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展 开始。国际上对超声波检测数字化技术的

题目：超声波测距仪的设计

超声波测距仪的设计

一、设计目的：

以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。

通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。

二、设计要求：

设计一个超声波测距仪。要求：

1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。

三、设计器材：

STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块

SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1）

电容（30PF2，10UF1）

排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子，

导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。

四、设计原理及设计方案：

（一）超声波测距原理

超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，

淮 阴 工 学 院

毕业设计(论文)外文资料翻译

系 （院）： 专 业： 姓 名： 学 号： 外文出处：

(用外文写)

电子与电气工程学院 测控技术与仪器

United States Patent 5442592

1.外文资料翻译译文；2.外文原文。

附 件：

指导教师评语： 所选内容与课题相关，对课题设计参考具有一定价值；翻译具有一定难度，工作量适中；译文基本正确，语句通顺，但也存在部分错误。 总体评价：良 签名： 3 月 15 日 2012 年注：请将该封面与附件装订成册。

附件1：外文资料翻译译文

超声波测距仪

文件类型和数目：美国专利5442592

摘要：提出了一种可以抵消温度的影响和湿度的变化的新型超声波测距仪，包括测量单元和参考资料。在每一个单位，重复的一系列脉冲的产生，每有一个重复率，直接关系到各自之间的距离，发射机和接收机。该脉冲序列提供给各自的计数器，计数器的产出的比率，是用来确定被测量的距离。 出版日期：1995年8月15日 主审查员：罗保.伊恩j. 一、背景发明

本发明涉及到仪器的测量距离，最主要的是，这种仪器，其中两点

淮 阴 工 学 院

毕业设计(论文)外文资料翻译

系 （院）： 专 业： 姓 名： 学 号： 外文出处：

(用外文写)

电子与电气工程学院 测控技术与仪器

United States Patent 5442592

1.外文资料翻译译文；2.外文原文。

附 件：

指导教师评语： 所选内容与课题相关，对课题设计参考具有一定价值；翻译具有一定难度，工作量适中；译文基本正确，语句通顺，但也存在部分错误。 总体评价：良 签名： 3 月 15 日 2012 年注：请将该封面与附件装订成册。

附件1：外文资料翻译译文

超声波测距仪

文件类型和数目：美国专利5442592

摘要：提出了一种可以抵消温度的影响和湿度的变化的新型超声波测距仪，包括测量单元和参考资料。在每一个单位，重复的一系列脉冲的产生，每有一个重复率，直接关系到各自之间的距离，发射机和接收机。该脉冲序列提供给各自的计数器，计数器的产出的比率，是用来确定被测量的距离。 出版日期：1995年8月15日 主审查员：罗保.伊恩j. 一、背景发明

本发明涉及到仪器的测量距离，最主要的是，这种仪器，其中两点