超声波测距报告

超声波测距报告（精选8篇）

超声波测距报告篇1

超声波测距系统

总结报告

自03 胡效赫 2010012351

一、课题内容及分析

首先根据课程所给的几个题目进行选择，由于自己最近在做电子设计大赛的平台设计，希望对超声波测距在定位方面应用有更详尽的了解，所以选择课题三——超声波测距作为课程设计，内容如下：

对课题进行分析：实验提供超声波传感器T40-16和R40-16，利用面包板和小规模芯片搭接电路，实现距离的测量及显示。大致思路即驱动发射端发出超声波，接收端收到返回的脉冲进行处理与计算得到测量距离并通过数码管和蜂鸣器显示。

二、方案比较与选择

由于超声波测距方案原理基本相同，只要能够检测出发射到接收的时间，并通过相应计算就可以得到所测距离。所以问题大致分为驱自03 胡效赫 2010012351 动发射端、接收端检测、间隔时间计算与计算结果显示四部分。具体的方案设计如下：

闸门脉冲源产生基准宽度为T 的闸门脉冲，该脉冲一方面控制计数电路的计数启动和并产生计数器清零脉冲，使计数器从零开始对标准脉冲源输出的时钟脉冲（频率为17KHz）计数。同时开启控制门，超声波振荡器输出的40kHz脉冲信号通过控制门，放大后送至超声波换能器，由发射探头转换成声波发射出去。该超声波经过一定的传播时间，达到目标并反射回来，被超声波换能器的接收探头接收变成电信号，经放大、滤波、电压比较和电平转换后，还原成方波。图中的脉冲前沿检测电路检测出第一个脉冲的前沿，输出控制信号关闭计数器，使计数器停止计数。则计数器的计数值反映了超声波从发射到接收所经历的时间（或距离）。

自03 胡效赫 2010012351

三、模块化设计及参数估算

1、闸门控制模块  设计思路

555振荡电路产生频率为2Hz的脉冲，作为闸门脉冲源。RC微分电路将输出的2Hz脉冲进行微分运算产生脉冲信号，作为计数启动和计数清零的信号，分别控制D触发器的置高端和74LS90的清零端。 参数设计：

555振荡电路T =(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取4.7kΩ，R2接入10kΩ滑动变阻器，最后实测7.51kΩ，C取47uF。RC微分电路R为1kΩ，C为4.7nF

2、超声波发生模块  设计思路

555振荡电路产生频率为40kHz的脉冲，作为驱动超声波发射端自03 胡效赫 2010012351 的基础脉冲信号。

同时由2Hz闸门信号作为门控（高电平有效）。

再利用电压比较器，对555脉冲信号进行整形，而后输出。 参数设计

555振荡电路T =(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取2kΩ，R2接入 1kΩ滑动变阻器，最后实测440Ω，C取10nF。

3、超声波接收模块  设计思路

电压放大电路，利用LF347放大超声接收端信号

电压比较电路，利用电阻分压设计阈值电压VREF，当没有接收到信

号时V-大于V+,输出为负，当接收到信号时V-小于V+,输出为正。稳压电路，电压比较器输出端接1kΩ电阻，反接5V稳压管接地，自03 胡效赫 2010012351 使没有信号即输出为负时，输出-0.7V电平，有信号即输出为正时，输出5V电平。 参数设计

放大电路电阻值为1kΩ和750kΩ，放大倍数为750。

电压比较器VREF由100kΩ电阻和100kΩ的滑动变阻器分压决定，最终滑动变阻器阻值取为5.68kΩ，VREF取值大致为-0.6V。

4、计数控制模块  设计思路

计数控制模块由，计数启动和计数停止控制组成。由D触发器进行实现当计数开始时闸门信号的微分电路给出低电平脉冲将Q置高，计数信号有效。而接收到回波后，接收信号由低变自03 胡效赫 2010012351 高，CLK产生上升沿将Q置低，计数信号关闭。

5、计数模块  设计思路

555振荡电路产生17kHz的脉冲型号用来计数三个74LS90级联，采用十进制接法计数，分别对应米、分米、厘米。

计数信号控制源由计数控制模块的D触发器的Q信号给出计数信号清零源由闸门控制信号的微分模块经由缓冲器后给出高脉冲清零。 参数设计

555振荡电路T =(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取5.1kΩ，R2接入

47kΩ滑动变阻器，最后实测18.98kΩ，C取2.2nF。

6、报警模块  设计思路

令A[4]，B[4]，C[4]分别对应米、分米、厘米，同时当模块计数时报警应该无效，设D触发器输出信号为Q，则逻辑函数Alarm = A1’A0’B3’B2’B1’Q 自03 胡效赫 2010012351 利用与非、或非及非逻辑运算搭接电路

四、实验电路总图

1、电路原理图

自03 胡效赫 2010012351

2、时序图

3、面包板布局

五、实验结果与实验中出现的问题分析

1、实验结果结果：基本要求及提高要求全部完成。其中四个地方用到了滑动变阻器分别是三个555的脉冲源（产生2Hz、17kHz和40kHz的方波）和接收模块的电压比较器阈值电压VREF的确定。调试结果的各自03 胡效赫 2010012351 阻值已在模块设计中标明。

2、实验中出现的问题及分析

A．微分电路输出信号的检查

开始分模块调试时，不会测量微分电路输出的脉冲信号，然后不能确定问题出现在下级还是本级。经过老师的提示，只要把示波器显示的波形调到最粗最亮，调成相应扫描速度，可以看到面板上有亮点间歇显示。从而验证微分电路输出信号无误，并且幅值正确。

B．数码管显示不稳定

数码管显示不稳定，多数原因是由于数字电路与模拟电路相互干扰，计数器中混有杂波和高频信号。用示波器测量计数电路的74LS90的信号，发现有17kHz的杂波。首先将模拟地和数字地分开将555振荡电路的地直接由引线接到学习机上，而后数码管开始显示，但仍不太稳定。再在VCC和GND之间跨接0.1uF的电容滤掉杂波。之后数码管稳定显示。

C．信号输出不正确

D触发器输出电平Q在未接受到信号时应该是低电平，但始终是高电平。开始时不确定前级各模块的正确与否，有些停滞，之后确定前级信号正确，D触发器接线正确，而输出信号不对，则一定芯片的问题。换了芯片之后，输出正常。

六、收获、体会和建议

1、收获与体会本次实验充分体会电路模块设计与调试的过程，对于设计电路和自03 胡效赫 2010012351 测试电路的能力有了更一步的提升。首先，搭接与调试电路时，应该本着自顶向下逐步求精的原则，在理解原理并确定原理正确之后，先对于面包板的布局进行规划，把相应的芯片测试后，插到相应部分，保证后面搭接时方便并且思路清晰。然后，按分模块逐级搭接调试的原则测试电路，保证了每一级的输入信号都是正确的后，如果输出不正确，去检查接线，接线正确后检查芯片是否正常工作。最后，发现信号干扰问题，尝试用滤波，分离数字地和模拟地，以及简单的搭接电容的方法，解决干扰。依照上述方法调试电路，保持一颗正常心态，可以高效并且正确的完成问题。

2、建议由于整个实验过程中只需要，测量接收波形的上升沿，所以对于模拟电路中波形整形处理部分现对简单。现提出以下课程建议：建议老师将提高要求的测量距离改为高于3m，这样同学们利用波形放大然后与阈值电压比较的方法就不能实现了，因为相应的杂波干扰也会随之放大，冲过阈值电压，影响结果。所以此时同学应该使用选频电路选出40kHz的波形，控制后面的计数模块，对于模拟电路部分会有更高的锻炼。

附工作日志

8月21日自03 胡效赫 2010012351 经过周末的预习，查找了关于超声传感器的原理知识和超声测距的相关内容。分析了超声测距的实现方案，并将电路分为各个模块实现，每个模块进行了相应仿真（但有些仿真结果不理想，待硬件实测）。

本日上午首先针对超声测距系统方案中的几个模块与同学进行了讨论，包括方波频率的选择与实现，闸门信号的实现与清零，以及面包板的布局合理性。

而后首先搭接了三个555方波发生器。上午只搭接测试出了，40kHz的方波本日下午再次对于板子的规划进行思考，并大致划分了区域，把相应用到的芯片放到了相应的位置。然后搭接测试出了2Hz方波。分别测试两种方波的频率均很稳定，效果不错。而后开始搭接超声发射模块的实现，将两种频率的方波进行逻辑运算，经由LS00，信号传至运算放大器LF347，将信号与2.5V电压值进行比较，得到最终的大约0.5s驱动一次超声波发射器的效果。

但是遇到的问题是，当2Hz和40kHz的方波共同输入到LS00中时，对2Hz的方波进行测量，示波器显示的频率很难稳定下来，发现混有杂波，可能是40kHz的杂波，也可能是交流成分。进行了各种测试，重新退到上一步骤，检查芯片的问题，等等。但是问题并没解决，后来怀疑是示波器测量可能不是很准。直接测量最终运放发射的信号，发现效果正常。问题解决。

而后进行超声接收信号接收处理的部分电路的搭接，以及触发器电路的搭接。之后搭出17kHz的脉冲源后，下课。

晚上又把数码显示和蜂鸣器部分搭出来了，明天分模块测试。8月22日

由于昨天已经把各个模块全部搭好，今天开始分模块测试和模块的联调测试。今天下来调试结果：

超声波发射模块调试通过正常运行，并且接收模块可以接收到相应信号，在示波器上显示相应波形。40kHz的555脉冲源正常，2Hz的555脉冲源正常，经过LS00运算后，到LF347正常驱动T40-16，而相应的R40-16接收到反射的超声波信号后，产生较大幅值的波形（较之原有的干扰信号），可以通过放大，与阈值电压比较后得到相应的脉冲信号（没有接收到信号时，信号为0，大于阈值电压，最终输出低电平信号-0.7V；接收到信号后，信号为负，小于阈值电压，最终由于稳压管稳压后输出高电平5V）。即，当调整出较好的阈值电压后接收到超声信号后会产生相应的上升沿信号。

对于闸门信号的作用部分，由74LS74双上升沿D触发器来完成。对2Hz脉冲信号进行微分运算，上升沿时给出正脉冲，经由40106COMS施密特反相器可以得到一直是高电平闸门信号时给出低电平和一直是低电平闸门信号时给出高电平的信号。将LS74的置高端接前者信号，给出低电平脉冲时D触发器被置高，而只有CLK信号给出上升沿后才能将D触发器置低。

！！但是输入信号都测出来了，输出不对哎有木有所以明天LS74是重点哎有木有！！

而后是计数器显示模块，需要有17kHz的555脉冲源，搞定。与经由闸门信号控制锁存后的Q输出端进行逻辑运算（LS00），结果输出到LS90中进行计数并在数码管中显示。同时从计数的信号端中做组合逻辑实现低于0.2m时报警。同时计数器的清零信号由闸门信号微分运算后COMS施密特反相器整形后得到。

开始没有产生555脉冲信号的时候，将CLK和CLR用学习机模拟，效果很好，接上555后发现数码管不稳，有木有！！

模拟地和数字有干扰有木有！！想办法有木有！！自03 胡效赫 2010012351 数电电子技术实验考核的时候就有这个问题木有解决，明天上午一定要解决有木有！！

8月23日

超声波测距报告篇2

目前各种超声波仪器和装置己经广泛地应用在工业、通信、医疗等许多行业中。超声检测技术的基本原理是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液位、厚度、缺陷等)之间存在着的直接或间接的关系,在确定了这些关系之后就可通过测定这些超声物理量来测出待测的非声量。正是在这种工作原理下,我们可以充分地利用超声波的各种特性来研制超声波传感器,配合不同的信号处理与显示电路完成许多待测量的检测工作。

测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定数值,不随声波频率变化的特点。超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来,若要求测距误差小于0.01米,那么测量时间的误差必须小于30微秒。因此,实现声波测距须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。

1 超声测距原理

本文的硬件设计采用超声波往返时间检测法,其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体),经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘,就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半,即:

在上式中,L为待测距离,v为超声波的声速,t为往返时间。若要求测距误差小于O.lm,已知声速v=344m/s(20℃时),显然,直接用秒表测时间是不现实的。

因此,实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法,才能获得实用的测长精度。对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。检测脉冲计数法:脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。本文采用的是脉冲检测计数法。这种方法实现起来较包络检测方便,电路实现简单,精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后,进入比较器,调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生40k Hz的方波。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲,便于测量出发射到接收到脉冲的时间。

2 超声测距系统的总体方案

发射电压从理论上说是越高越好,因为对同一只发射传感器而言,电压越高,发射的超声功率就越大,这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大,对于接收电路的设计就相对简单一些。但是,每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值,即当工作电压超过了这个极限值之后,会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。

发射部分的点脉冲电压很高,但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏,要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。最终达到对回波进行放大检测,产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。

3 超声测距系统的硬件

3.1 发射电路(1)发射波形

发射部分用单片机控制产生40KHz的方波,然后加以驱动。

如图二所示波形是PWM波形经过三极管放大后发生轻微变化,之后送至发射传感器发射的信号波形,理论上说该信号是稳定无变化的。为使传感器充分震荡,发射脉宽不可以过小,一般来说我们选择40KHz的方波信号,但是实际情况是我们可以得到频率为39KHz到40KHz之间的信号。

(2)发射电压

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度,综合各种损耗的因素,包括往返传播损失、声波传输损失、声波反射损失、环境噪声损失等。在发射端电源处极其容易产生干扰,可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图三所示。

3.2 接收放大部分

接收放大单元的作用是对有用的信号进行放大,并抑制其它的噪声和干扰,从而达到最大信噪比,以利检测单元的正确检测。超声波回波经超声波接收传感器,电容隔直滤波,一级放大,二级放大后,在解码器的输出端有信号时将得到低电平进入单片机以产生中断用于计时。

在传感器接收到的信号中,除了障碍物反射的回波外,总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段,远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定,其功率谱宽度远大于接收机的通频带。而且内部会产生一个与有用信号频率基本相同,只有幅值不同的信号,可以使用一些特殊的电路将其隔离。

3.3 检测单元

接收信号放大到2V左右时,就可以进行信号检测。信号检测的目的是确定接收信号的到达时间,这是整个电路中一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度,还关系到整个系统是否能正常工作。

检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚。通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平。以零电平作为比较电平是行不通的,因为放大后的信号中含有一定幅值的噪声,这样一来,即使没有接收信号,也会造成比较器反复触发,从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平,这样做可以削除一般噪声的影响,而且比较电平固定,可以实现对电路信号的准确检测。

3.4 显示单元

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。最简单的显示器可以使用LED发光二极管,给出一个简单的开关量信息,而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。

3.5 声速校正

要想通过测量超声波传播时间确定距离,声速C必须恒定,实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下,由于大气压力变化很小,因此传播速度主要考虑温度的影响。对一定介质,通常采用对温度进行修正的方法,可以测得比较准确的距离。通过对温度修正来校正声速的方法,即用测温元件测量实际环境,根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速,再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可由下面近似公式(2)表示:

3.6 干扰问题及其解决方法

这里的干扰主要外界高频噪声及电源等对信号产生的干扰,由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似,因此在这段时间里不容易检测出回波信号。

针对高频噪声和电源干扰,可以通过选择合适的元器件,加之滤波电路就可以消除干扰,对接收部分的信号放大处理也可以采用隔离抗干扰技术。这样的处理可以很好的消除干扰。

4 系统软件

在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后,系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据以上所述系统硬件设计和所完成功能,系统软件需要实现以下功能:

(1)信号控制

在系统硬件中,己经完成了发射电路、回波接收电路、接收信号显示的设计。在系统软件中,要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出以及信号处理后的显示等。

(2)数据存储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差,要读出此刻计数器的计数值,然后存储在RAM中,而且每次发射周期的开始,需要对计数器清零,以备后续处理。

(3)信号处理

RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出,因为计数值与实际的距离值之间转换公式为:

其中,T为发射信号到接收之间经历的时间,Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率,N为计数器的值。在这个部分中,信号处理包括计数值与距离值换算,二进制与十进制转换。

(4)数据传输与显示

经软件处理得到的距离送到四位LED显示。

由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的,因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后,原始数据经计数值与距离值换算子程序,二进制与十进制转换子程序后显示输出。

整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。

摘要：本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离,并且描述了系统研制的理论基础。文章概述了超声检测的发展及基本原理,介绍超声传感器的原理及特性,并且在介绍超声测距系统的基础上,提出了系统的总体构成。

关键词：超声波,单片机

参考文献

[1]超声波探伤编写组编著.超声波探伤[M].北京:电力工业出版社,1980.

[2]王纯正.超声学[M].北京:人民卫生出版社,1993.

[3]中国无损检测学会编译.超声波探伤[M].北京:机械工业出版社,1987.

超声波测距装置的研究和设计篇3

摘要利用超声波测量距离具有原理简单、抗干扰能力强等优点，因此超声波测距装置也具备了结构简单，工作情况稳定的优势，被广泛采用。本文通过对其工作原理的介绍和设计实例的分析，介绍了超声波测距装置的基本构造和工作过程。

关键词基本原理装置特征装置设计

一、超声波测距装置的研究

1．装置的应用和基本原理

利用超声波进行距离测量的主要是发挥其受外界干扰较小的优势，而且传感器的结构相对简单，成本不高。在测量的过程中传输的声频不高，便于接收元件识别和计算。因此在机器人研制、车辆辅助系统、测量测绘等方面得到了广泛的应用。而且电子技术的发展让新型的电气元件和传统的超声波理论有机的结合起来，拓展了该技术领域的空间。目前超声波测距装置主要利用的是陶瓷超声波能量转器，作为固体超声波发生装置，发生超声波的频率为40kHz的固定频率，利用先进的单机芯片负责声波的收发，从而计算发射和接收的微量时间差测算出目标距离，这就是超声波测距的原理。

2．超声波测距装置特征

从理论上看，超声波发生装置的电压越高效果越好，这是因就同一个发生系统来看，电压越高其发出的超声波功率也就越大，这样在接收装置上接到的回波功率也就越高，测量也就越准确。但是在实际的应用过程中，设备的应用的工作电压是不可能超过一个极限的，如果超负荷运行就会对装置造成不可修复的损伤。因此在实际的工作中发射模块所产生的脉冲电压是相对的高，而不能无限的放大。基于这样的条件限制，在发射部分的电脉冲信号发出后，由物体反射回的信号当然也就受到一定的限制，其引起的压电晶片产生的电压当然也就较低，而且在其中还会混入一些环境因素导致的杂波，让装置出现错误。所以，在超声波测距装置的设计过程中需要着重研究系统对回收信号的处理，除了需要必要的放大外，也需要进行过滤，要达到芯片能够处理的强度。

二、超声波测距装置的设计

超声波装置的设计因为采用的元件有所差异，其设计的思路也不尽相同，但是其工作的原理、装置组成、工作过程是基本一致的，因此下面选择一种设计方式进行简要的介绍。

1．装置单机芯片功能选择

一般的超声波测距装置主要的系统构成为发射、接收放大、温度测量、数据处理这四个模块，以满足其功能实现。本例中采用的是低电压高性能的单机芯片，具备可编程存储器。这一款单机芯片由Atmel公司出品，可以完全与工业用80C51产品进行兼容，指令和脚本没有冲突。芯片的可编程存储器完全可以适应各种装置的设计需求，满足应用功能。

2．装置的发射电路设计

在超声波装置的应用过程中，理论认为40kHz的超声信号是理想频率。因此在利用555电路的时候电路产生的40kHz的超声波，其振荡可以利用公式：f≈1.43÷（（R1+2×R2）×C1）进行计算，其中R2采用的是可调节电阻，主要是为了实现转换频率的一致性。在设计的过程中R1、R2、C1这三个参数的选取可以利用软件进行选取，最后进行测试以保证准确。而且为了能够保证555的驱动能力装置采用了12伏电源进行供电。工作中555电路产生的40kHz方波通过元件调整，让超声波换能器发出超声波，而且在过程中利用单机芯片通过555的高低电平来实现超声波的发射控制。

3．回波接收的电路设计

装置的设计关键就在于对回波的处理，因为反射回来的声波信号十分的微弱，因此必须经过放大电路的放大，才能保证识别和计算。装置接收到声波信号后，先经过电容的耦合，然后加载到预算放大器上进行两级放大，这里可以采用NE5532，这不仅是因为回波的频带宽，噪声低，更是为了其共模抑制大，电源电压抑制小，因此偏置电压小。而且工作的性能较好，价格合理。在这里实现的两级放大分别为100倍，得到的最终信号放大了10000倍。放大的信号采用电子元件进行比较和调整，通过电阻对其进行调节已选择不同的比较电压，达到对测量距离的调整。

4．装置的温度补偿设计

超声波在传播的过程中可以对其产生影响的因素包括湿度、压力、温度，实践证明温度对其影响最大。因此在超声波测距装置的设计中应当加入必须的温度补偿模块，以保证装置的适应性。在这里应用的是根据超声波的特性总结出的经验公式：V=331.5+0.607T以此作为测距中波速的补偿，V是实际速度，T为温度。一般的装置都会采用数字温度传感器来采集现场温度，并对波速进行补偿。其中如：DS18B20的应用，它是一总线器件，不需要其他调理电路，就能和单片机直接相连。工作过程是，通过DS18B20单片机可以实时采集温度值，在进行测量时将温度补偿给波速，保证单机芯片计算出该温度下的超声波速度。

三、结束语

目前超声波测距装置在电子技术的支持下，已经实现了集成化的控制。设计中利用电机芯片作为控制核心，通过简单的编程保证各部元件的相互配合，已经成为了设计的主要思路和方向。这能够让超声波测距装置更为简单小巧，应用范围也不断扩展。

参考文献：

超声波测距报告篇4

１、本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区（2cm）超近,稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据！2 主要技术参数：

1：使用电压：DC5V2：静态电流：小于

2mA3：电平输出：高5V4：电平输出：底0V

15度6：探测距离：2cm-450cm5：感应角度：不大于

7:高精度：可达0.3cm

接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND

本产品使用方法：一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了~~模块工作原理：

(1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;

(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速

超声波探伤实验报告篇5

1、掌握TUD210手持式超声波探伤仪的使用方法;

2、掌握仪器的性能指标及仪器各个按钮之间的关系;

3、掌握纵波探伤的基本方法。

二、基本原理

脉冲反射法——利用超声波脉冲在试件的传播过程中，遇到声阻抗相差较大的两种介质界面时，将发生发射的原理进行检测的方法。采用一个探头兼做发射和接受器件，接收信号在探伤仪的屏幕上显示，并根据缺陷及地面发射波的有无、大小及其在时间轴上的位置来判断缺陷的有无、大小、及其方位。

三、实验装置及物品

TUD210手持式超声波探伤仪，耦合剂，实验试件(钢)，游标卡尺

四、实验步骤

1、打开TUD210手持式超声波探伤仪开关;

2、将试件表面清洗干净，涂上耦合剂，抹匀;

3、调节TUD210手持式超声波探伤仪的各个方向键，设定材料声速为5920m/s，脉冲移位0.0us，探头零点0.00us，他侧范围50mm;

4、将超声波探头置于试件上五缺陷回波处，调节增益步长键和增益加减键，使超声波回拨高度为慢刻度的60%，记录显示的分贝值;

5、移动超声波探头，找到缺陷回拨最大处，调节增益步长键和增益加减键使缺陷回波值为满刻度的60%，记录显示的分贝值;

6、误差对比：将试件翻转过来，用游标卡尺测量小孔的直径、深度;

7、实验完毕，关闭TUD210手持式超声波探伤仪，将试件整理好。

五、实验数据

探头频率：2.5 MHZ

探头直径：Φ20 mm

超声波波速：5920 m/s

地面距离探头的距离：50 mm

游标卡尺测量缺陷孔的直径：6.58 mm

游标卡尺测量缺陷孔的深度：20.14 mm

无缺陷回波时反射回波60%时分贝值：25.1 dB

有缺陷回波时反射回波60%时分贝值：32.0 dB

六、数据处理

七、实验结果

经过色谱分析测定，我组所测试液酒精浓度为30.0%

塔内压降约550mm水柱;塔釜温度92℃

八、结果分析

我组测得浓度较低，主要是由于取夜过早，操作尚未稳定，塔顶馏出夜酒精浓度较低。

九、实验心得

胃肠超声报告篇6

口服造影剂500ML后，贲门通过顺利，胃腔内造影剂充盈良好，胃大小形态正常，胃粘膜光滑完整，胃壁五层结构显示清楚，厚度约CM，胃蠕动正常。腹腔肠管无扩张，无局限性占位。胃肠道未见异常声像图

残胃

空腹下残胃腔见少许潴留液，形态失常。胃底及贲门未见异常声像图。

胃下垂

引用造影剂后，胃腔内造影剂充盈良好，胃粘膜光滑完整，胃壁五层结构显示清楚，胃体下部及胃窦部松弛膨大，坐位（立为）胃下缘低于脐水平（髂嵴连线）约CM，胃蠕动减弱。胃下垂

（胃下垂分度：轻度：低于脐下5CM以内；中度：低于5-8CM；重度：大于8CM）

胃炎

胃服造影剂充盈后扫查：于胃窦部见胃壁呈弥漫性、均匀性、对称性增厚，回声减低，层次清晰，粘膜明显水肿，皱襞肿胀，胃窦腔相对变小，胃壁蠕动减弱，胃幽门管关闭欠佳；余胃和十二指肠球部无殊。

急性糜烂性胃窦胃炎（建议治疗后复查）

胃服造影剂充盈后扫查：胃壁层次清晰，粘膜稍水肿，皱襞略肿胀，以胃小弯或胃窦部改变明显，未见明显肿块和溃疡灶。十二指肠球部无殊。提示慢性浅表性胃炎

胃服造影剂充盈后扫查：胃壁层次清晰，粘膜层变薄，皱襞稀少，以胃体部或胃窦部改变明显，未见明显肿块和溃疡灶。十二指肠球部无殊。提示慢性萎缩性胃炎（必要性复查）

口服造影剂后，胃内造影剂充盈良好，粘膜增厚，呈突入胃腔的绒球样中、高回声团（粘膜层回声粗糙，不均和中断，肌层回声正常），胃蠕动通过顺利。慢性肥厚性胃炎

溃疡

胃服造影剂充盈后扫查：于胃角处见胃壁局限性增厚，回声减低，其粘膜层粗糙，连续性差，中断，中央见一大小约cm粘膜凹陷，表面见强回声斑点附着，其周围胃壁层次清晰，该处胃壁蠕动减弱。余胃和十二指肠球部无殊。胃角溃疡（建议胃镜活检）

胃服造影剂充盈后扫查，胃体部后壁局限性凹陷，周边胃壁增厚隆起“凹”样，增厚的胃壁呈低回声，层次结构消失，厚度约CM，范围约CM，凹陷出边缘锐利，底部为斑块强回声。胃体后壁明显增厚伴溃疡，建议进一步检查

胃服造影剂充盈后扫查：见十二指肠球部变形，面积变小，前壁局限性增厚，回声减低，其粘膜面破溃，中央见一大小约mm粘膜凹陷，表面见强回声斑点附着；球部充盈有明显激惹征象。

十二指肠球部溃疡

胃内异物

口服造影剂后，胃内造影剂充盈良好，胃腔内可见一弧形强回声团块，后方伴声影，漂浮于造影剂中，随体位移动，胃壁回声层次清晰，粘膜光滑完整。胃石症

胃肿物

胃服造影剂充盈后扫查：于胃角胃小弯见胃壁局限性不规则增厚，最厚达mm，范围达mm，其回声减低，层次紊乱不清，其粘膜面破溃，见大小约mm粘膜凹陷，呈“火山口”状，表面见强回声斑块附着，其浆膜连续（或不连续，和周围组织粘连浸润），以后壁改变明显，该处胃壁蠕动僵硬。胃周围数个低回声结节分布，大小约mm。胃角胃小弯胃癌（侵及浆膜），胃周围淋巴结区域性转移

胃服造影剂充盈后扫查：见胃贲门部形态明显增大、失常，呈大小约mm“假肾征”包块，管壁层次不清，管腔明显变窄，造影剂通过缓慢或受阻。胃贲门部实质性肿块伴贲门狭窄：考虑胃贲门MT

胃服造影剂充盈后扫查：见胃腔扩张，内见多量液性内容物物沉积漂浮，于胃幽门管处见胃壁不规则增厚，呈大小约mm包块，层次不清，粘膜破溃，表面高低不平，管壁蠕动僵硬，管腔明显变窄，造影剂通过缓慢或受阻，十二指肠球部充盈不良或不充盈。胃幽门管实质性肿块伴幽门梗阻：考虑胃幽门管MT

口服造影剂后，胃内造影剂充盈良好，胃小弯处胃壁局限性不规则增厚，胃壁五层结构消失，向胃腔内突出，肿块大小约×CM，内部呈低回声，局部胃蠕动消失。胃小弯肿物，胃癌可能性大。

胃服造影剂充盈后扫查：胃壁弥漫性增厚（局部形成肿物），内部呈低回声或无回声，透声性好，后方回声略增强，胃腔略狭窄。胃恶性淋巴瘤

口服造影剂后，胃内造影剂充盈良好，胃体部胃壁可见×CM异常低回声区向外突出，边界清，外形规则，呈椭圆形，内部回声分布均匀，胃粘膜呈连续完整。胃体部肿物，胃平滑肌瘤可能性大胃服造影剂充盈后扫查：胃壁层次清晰，于胃小弯或胃窦部见一大小约cm中等或低回声小肿块，自粘膜面向胃腔内隆起，表面尚光滑，随胃蠕动而移动但不消失。十二指肠球部未见异常声像图。

胃小弯或胃窦部粘膜小肿块：考虑胃息肉

静脉曲张

胃服造影剂充盈后扫查：于贲门或胃底部粘膜下见多条不规则的液性管腔分布，管径约mm，部分扭曲成团，向胃腔内突起；CDFI：内见丰富的血流信号，PW为低速静脉频谱。贲门或胃底部静脉曲张

胃扩张

胃服造影剂充盈后扫查，胃腔极度扩张，内有大量潴留物，无回声液区伴斑片状强回声，胃壁变薄，黏膜变平，胃蠕动明显减弱。急性胃扩张

幽门狭窄

胃服造影剂充盈后扫查，胃幽门部胃壁呈环状均匀性增厚，短轴断面呈均匀性中等或低回声环，中心为高回声点，幽门长轴断面呈梭形或橄榄形，长约CM，厚度大于0.4CM，幽门管腔明显变窄，呈狭长高回声带，开放明显受限。胃内容物通过受阻，胃腔扩张，潴留物多，近幽门处蠕动消失或逆蠕动。先天性肥厚性幽门狭窄

幽门梗阻

空腹胃腔内见大量液性无回声区，其内有大小不等的斑片状强回声漂浮，贲门失弛缓症

口服造影剂后，贲门通过不畅，滞留于食管下段，贲门部管壁呈均匀性增厚，厚度约CM，粘膜光滑完整。贲门失弛缓症

胃肠穿孔

患者仰卧位，可在肝前间隙显示气体强回声，后方有多重反射，坐位时，膈肌顶部与肝脏之间可显示气体回声。

肝肾间隙及盆腔可见液区，液区内不清晰，见斑片状强回声，测液区深度约肝肾间隙CM，盆腔CM。

腹腔积气，腹腔少量积液，复合胃肠穿孔表现。

基于超声波的自动测距系统设计篇7

近年来,随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高,我国的汽车数量正逐年增加。同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥挤狭窄的地方倒车时,驾驶员既要前瞻,又要后顾,稍微不小心就会发生追尾事故。据相关调查统15%的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。因此,增加汽车的后视能力,研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。为此,本文设计了以单片机为核心,利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统[1],可有效的解决这一难题。

随着科学技术的快速发展,超声波技术在日常生活中的应用越来越广。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如:液位、井深、管道长度等场合。但就目前技术水平来说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来,超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展。本文设计的是基于超声波的自动测距仪[2],主要用于汽车倒车等场合,可检测到汽车在倒车过程中,车后障碍物与汽车的距离,通过数码管显示出距离障碍物距离,并根据障碍物与车尾距离远近实时发出不同等级的警示声音。无庸置疑,未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。

2 系统总体设计

超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,利用超声波检测距离,设计比较方便,计算处理也较简单,并且在测量精度方面也能达到工业实用的要求和农业生产等自动化的使用要求。超声波发射器发出的超声波以速度v在空气中传播,在到达被测物体时被反射返回,由超声波接收器接收,其往返时间为t,由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波,其声速v与温度有关,下表列出了几种不同温度下的声速[3]。在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离[4]。如图1所示为反射时间法测距原理图,利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离,对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数,我们通过测量回波时间T利用公式S=C×(T/2)其中,S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间(T=T2-T1),T1为超声波发出的时刻,T2为超声波返回的时刻,可以计算出路程,这种方法不受声波强度的影响。这样可以求出距离:S=C×(T2-T1)/2。

测距系统的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器,常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有衰减,衰减的程度与频率的高低成正比,而频率高分辨率也高,故短距离测量时应选择频率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器。本文设计主要用于倒车雷达等方面的应用,故选择频率高的传感器。

本文设计的超声波自动测距系统原理框图如图1示,单片机发出40k HZ的信号,经放大后通过超声波发射器输出;与此同时单片机控制器内部T0计数器开始记数,当超声波接收器接收到超声波回波信号,经放大器放大,通过外部中断启动单片机中断程序,这时T0计数器停止记数,再由软件进行提取计数器的计数值换算成时间通过计算得出距离数并送LED显示,系统还会根据障碍物与车尾距离远近实时发出不同等级的警示声音[5]。

3 系统硬件设计

本测距系统硬件电路的设计主要包括单片机最小系统电路、显示电路、超声波信号发射电路、超声波信号接收电路、蜂鸣器电路五部分组成。单片机采用A T 8 9 C 5 1或其兼容系列[6]。单片机振荡电路使用12MHz晶振,5V Vcc电源电压。51单片机芯片、单片机振荡电路和单片机复位电路组成了单片机最小系统电路,四位数码管组成显示电路,非门74LS04芯片与超声波发射探头T-4 0-1 6组成了超声波信号发射电路;SONY公司的CX20106A芯片及外围电路和超声波接收探头R-40-16组成了超声波信号接收电路;通过单片机P1.1口通过三极管VT5驱动蜂鸣器鸣声发出超范围报警信号。本设计用AT89C51来实现对CX20106A红外接收芯片和T-40-16系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制输出超声换能器所需的40KHz的方波信号,然后利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号,本设计将外部中断0设置为电平触发。当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回并且受到回波。

3.1 超声波信号发射电路

由单片机AT89C51输出超声波换能器所需的40k Hz方波信号,然后经非门74LS04芯片反相后通过超声波信号发射探头[10]“T-40-l6”发出超声波信号。本文设计用单片机的P1.0口发出40k Hz方波信号,因为40k Hz方波的周期为1/40×10-3=25μs,本设计采用定时器T1定时12.5μs,每隔12.5μs改变一下P1.0的电平,这样即可得到40k Hz的方波信号[7]。超声波信号发射电路图如图3所示,单片机P1.0端口输出的40k Hz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极,用这种推拉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。输出端采两个反向器并联,用以提高驱动能力。上位电阻R1、R2一方面可以提高反向器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,缩短其自由振荡时间。

3.2 超声波信号接收电路

超声波的接收传感器采用与发射传感器配对的R-40-16,将由发射传感器发出的经反射后的超声波脉冲转变为微弱的交流信号,送红外检波接收集成模块CX20106A的1脚。CX20106A是日本索尼公司产品,单列直插封装、内置放大限幅、带通滤波、检波、积分、整形模块,具有选频功能,内部设计载波频率f=38k Hz,当其输入信号大于25m V时,输出端7脚由高电平跳变为低电平,将其与单片机INT0引脚相连作为单片机的扫描接收信号。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送,然后单片机C P U在每个机器周期的S5P2时刻采样INT0中断源的中断请求信号,当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波往返所用的时间,然后启动距离计算子程序。如图4所示,考虑到红外遥控常用的载波频率38k Hz与测距的超声波频率40k Hz较为接近,利用CX20106A制作超声波检测接收电路,实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平),具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

3.3 蜂鸣报警电路

单片机P1.1口通过三极管VT5驱动蜂鸣器鸣音,如我们在使用倒车测距应用时,根据汽车距离障碍物的位置,可以控制P1.1口产生不同频率的方波,从而通过三极管驱动蜂鸣器发出不同的声音来表示距离障碍物的远近,以提醒汽车驾驶员。此设计中当倒车时汽车距离障碍物小于5m时,P1.1口输出一定频率的方波从而驱动蜂鸣器报警提示驾驶员,当距离障碍物小于1m时,P1.1口输出更高频率的方波驱动蜂鸣器发出急促的报警信号再次提醒驾驶者。

3.4 LED显示电路

为了解决静态显示占用I/O口资源较多的问题,本超声波测距系统显示采用动态显示,如图5所示。通过单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3四个管脚的与四个三极管的基级(B极)相连,利用三极管的开关特性,驱动位码,实现数码管的点亮,从而实现动态显示。本文设计距离显示小数点位置固定,精度为0.01m。采用LED动态显示,动态扫描的频率有一定的要求。频率太低,LED将出现闪烁现象;频率太高,由于每个LED点亮的时间短,LED的亮度低,肉眼无法看清,所以一般均取几个毫秒左右为宜,这就要求在编写程序时,选通某一位LED显示的时间间隔不超过20ms,并保持延时一段时间,数据经过单片机计算处理后传到L E D上。

4 系统软件设计

本文设计的超声波测距系统软件设计主要由主程序,超声波发射子程序,超声波接受中断程序,超范围报警,距离计算子程序及显示子程序组成[5,6]。汇编语言程序具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间,超声波测距的程序既有较复杂的计算(计算距离时),又要求精细计算程序运行时间(超声波测距时),所以本设计系统控制程序采用汇编语言编程。

4.1 超声波测距系统主程序

主程序首先对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式[16],置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发,需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后,才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振,机器周期为1μs,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取15℃时的声速为340m/s则有:d=(C*T0)/2=170*T0/10000cm(其中T0为计数器T0的计数值),测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED显示,然后再发超声波脉冲重复测量过程[6,7]。主流程框图如图6所示。

4.2 超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送3个左右的超声波信号频率约40k Hz的方波,脉冲宽度为12μs左右,同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距系统主程序利用外中断0检测返回超声波信号,一旦接收到返回超声波信号(INT0引脚出现低电平),立即进入中断程序。进入该中断后立即关闭计时器T0停止计时,并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号,则定时器T 0溢出中断将外中断0关闭,以表示此次测距不成功,标志字赋值2。其定时中断服务子程序和外部中断服务子程序如图7和图8所示。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间,以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序,由于为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发,需延迟0.1 m s这样测距器会产生(0.1×10-3×340/2=0.03m)的最小可测距离;由于T0计数器的最大记数长度为216=65536个外部脉冲,本设计单片机振荡电路使用1 2 M H z晶振,所以最大测量范围为65536×10-6×340/2=11.14m,本设计显示精度为厘米,理论测量范围为:0.03m~11.14m。由于温度的影响在室温为10℃~20℃条件下能够测试0.03m~11.00m,实验数据表明,本测距系统最大绝对误差不超过2cm,实现了一种理想的非接触距离检测,在5m内测量精度较高,可作为汽车倒车测距系统。

5 结束语

本文设计的超声波测距系统能够产生超声波,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,并以数字的形式显示测量距离。由于此设计主要用于汽车倒车,属于短距离测距,为了使设计的超声波测距系统能在诸多长距离测量方面应用,如:井深测量,管道长度测量和声纳方面,可将测量范围进行扩展,在现有的基础上不增加任何硬件,采用计数器循环计数,将单片机的P2.4~P2.7口扩展为动。

态显示位码,测距最大可扩展到99.99m。再者,由于本设计小数点位置固定,精度位0.01m,在精度要求不高的测量场合,我们可以降低精度,这样也可以增大测量范围。本设计系统结构简单,精度较高,由于使用了很多集成电路,外围元件不是很多,系统调试不太困难,对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同,可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C 1的大小,以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力,若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来,则可进一步提高系统抗干扰能力。

参考文献

[1]肖质红.超声波测距仪在汽车安全系统中的应用[J].浙江万里学院学报,2007,(5):43-46.

[2]牛余鹏,成曙.基于单片机的超声测距系统[J].传感器与仪器仪表,2006,22(1):129-131.

[3]苏伟,巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术,2004,23(6):8-11.

[4]毛建波.压电陶瓷换能器在超声波测距仪中的应用[J].合肥工业大学学报(自然科学版)2005,28(6):696-698.

[5]赵珂.时差法超声测距仪的研制[J].测控技术,2005,24(4):77-79.

[6]徐国华.超声波测距系统的设计与实现[J].电子技术应用,1994(12):6-7.

超声波测距报告篇8

1超声波测距原理及方案对比

超声波测距有两种常见方案，一种是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23页所示的方案，把超声波发射器件和接收器件分别置放在所测距离的起点和终点，在红外线遥控器件辅助下计算超声波从起点至终点的时间Δt，再根据s=v·Δt求得距离.另一种方案可称为“反射式”，是把超声波发射器件和接收器件并列安装在起点处，然后测得超声波从发射到经过终点反射回来被接受到的时间差Δt，再根据s=v·（Δt/2）求得距离.方案一的测量精度较高，但实现较繁琐、使用也不便，方案二的测试时间是方案一的两倍、理论上误差也翻倍，但使用较为方便、所需模块也更易于购置，因此我们采用了方案二“反射式”测距方式.

常见的“反射式”超声波测距模块有SR系列、US系列等，表1是我们试用过的几种模块的电性能参数，看上去都属于民用产品、差别并不大，因此网上的超声波测距应用都采用了常见且廉价的HC-SR04模块.但事实上HC-SR04模块和US-016模块并不能满足中学物理实验的必备要求，很多人都忽略了测量频率的问题，下面试分析之.

如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5节《自由落体运动》教学中，研究自由落体加速度（重力加速度）是一个非常重要的课堂演示实验，传统上采用打点计时器在纸带上打点记录距离，测量的频率是50 Hz，如果要用超声波测距代替打点计时器，那么测量频率同样必须达到50 Hz，也就是说测量周期不能大于20 ms.而几种模块不同的输出方式导致了他们实际输出效果的区别：

（1） HC-SR系列模块的测量时序如图1，它的测量结果是以脉冲时长的方式输出的，导致测量周期是超声波从起点到终点传播时间的4倍以上，严重限制了测量频率的提高.为了便于理解，我们以测量一米的距离为例分析测量过程：首先单片机向模块发送10 us的高电平，然后模块发射8个40 kHz超声波脉冲约耗时0.2 ms，超声波传播至目标需时t=1 m/（340 m/s）=2.94 ms，反射至接收器件又需2.94 ms，最后模块向单片机输出一个宽度为5.88 ms的高电平脉冲，单片机测得此脉冲宽度后再折算得到测量结果.整个过程约需12 ms，再加上两次测量之间的间隔时间、其他运行步骤消耗时间、尤其是单片机与PC计算机数据通讯时间（实测建议不少于5 ms），整个测量周期很难控制在20 ms之内.换个说法，50Hz的测量频率使得测量距离被限制在一米以内，严重影响了实验的可操作性.尽管HC-SR04模块的标称量程达到4米，但这么长的距离会导致测量周期在50 ms以上，不能达到实验的要求.

（2） US-016模块的输出方式是模拟电平，即把距离转换为输出端口的电压值再由数据采集模块测量取值发送PC，它的转换过程中必然经过积分环节，最终实际效果虽然没有明确的测量周期限制但难以测量距离突变，从数据采集的曲线来看就是测量曲线被修饰圆滑了，出现了较大的高频失真.

（3） US-100模块可采用UART输出模式（串口模式），工作过程简述如下：首先单片机向模块Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600耗时<1ms），模块发出8个40KHZ的超声波脉冲（耗时约0.2ms），然后检测回波信号，仍以一米为例，5.88ms后检测到回波信号，然后模块根据此时间计算距离（同时还检测温度对声速进行修正），最后将结果通过Echo/RX管脚以串口数据直接输出给单片机.输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高8位（HDate），第二个字节为距离的低8位（LData），单位为毫米（即距离值为（HData*256 +LData）mm）.它与HC-SR04模块主要区别是：测量值是以两个字节的数据通过9600波特率串口输出，不管距离是多少，输出所耗的时间都是2*8/9600约1.6ms，而不像HC-SR04那样输出结果所需的时间会随着距离的增大而增大.

US-100模块的测量时序如图2，采用该模块进行超声波测距时，如果设定测量周期为20 ms，考虑到测量间隔和其他时间，我们认为实际测量过程时间可以达到12 ms，则最大测量距离可达340×12/2=2040mm，约为2米，比HC-SR04模块更符合重力加速度测量实验的需求.

此外，US-100模块内带自动温度测量并对结果进行校正，也能有效提高实验对环境温度的适应性.从下表可以看出，温度对超声波速度的影响还是很大的，当温度从0变化到20摄氏度时，超声波速度变化量达到3.6%，已经不能忽视.

所以，在反复测试对比后，最终决定采用US-100模块作为距离测量的传感器.

2利用arduino平台实现超声波测距和数据采集

Arduino是目前风靡全球的开源电子创新平台，它本质上是一个经过易用性封装的AVR单片机系统，具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集.结合专用的编程开发环境，能够快速简便地实现对传感器进行控制、数据采集并与PC计算机软件结合，实现数字实验室的功能.

（1）系统硬件构成：我们采用Arduino Uno主控板控制US-100超声波测距模块，并通过USB连接线连接计算机，同时通过USB的5 V电源给主控板和模块供电，架构清晰制作容易.为了方便使用，我们又把主控板和模块都安装在一个铝合金盒子里，使用时只需要把盒子放在测试处，然后通过USB连接线连接计算机即可.图3即系统框架示意图；图4和图5分别为各模块实物图和安装后的成品图.

（2）系统软件设计和优化：由于超声波测距模块已经把发射、接收、计时整体设计在内，所以本系统的单片机程序很简洁，这也是采用成品测距模块的原因，主程序只负责触发模块、接收数据、向计算机转发数据三个环节.但想要得到比较稳定精确的试验效果还有许多问题需要解决，我们发现网络和杂志常见的一些测距方案或实验都缺乏必要的严谨性，本次设计重点思考并优化解决了如下几个问题：

问题一，如何提高测量量程？

如前所述，我们采用US-100模块进行超声波测距，摒弃了常用的HC-SR04模块，能够减少读取测量结果的时间，从而把量程扩大到2米左右，使之符合常见中学物理实验的要求.

问题二，如何提高测量频率？

为了进一步降低测量周期、提高测量稳定性，我们把Arduino向PC通讯常用的Serial.print命令改为Serial.write命令，每次发送四字节的二进制数据，前两字节为数据标志位，一方面可以作为起始位避免数据错位，另一方面第二字节还可以作为扩展位以提供功能扩展.后两字节是二进制的测量结果数据，并设定传输波特率为115200，使数据传输时间减少到0.27 ms，向计算机实际通讯时间小于一毫秒，从而进一步减小测量和通讯所需时间，保证测量频率为50 Hz时具有足够冗余时间，保障了试验的稳定性.

问题三，如何精确控制测量周期为20 ms？

测量周期的计时原则上可以由上位机或下位机决定，但实际上Windows作为多任务操作系统根本难以保证毫秒级的时间稳定性，而单片机从架构上来说就具有较好的时间稳定性，因此我们设定由单片机程序进行测量周期的计时和比较.单片机程序的各个步骤都有一些微秒级的操作时间，这个时间是固定的，但唯有单片机与计算机通讯的命令受计算机影响时间稳定性较差，有些类似程序没有考虑周全导致程序整体的时间精确性达不到要求.我们的解决方案是把初始计时放在程序之首，然后就是数据发送环节，之后是数据采集环节，大于0.05%.

（3）核心代码：

3PC数据采集与图形化显示程序

上述Arduino系统已经完成了超声波测距、数据采集并向计算机发送的工作，最后还需要通过一定的Windows程序接收数据、保存数据，并能以图形化显示.为此，我们用Vb6.0编写了数据接收和显示程序，并命名为“GeekFlash数据采集器”，如下图6是程序的运行界面和某次动态测距的曲线图.限于篇幅，PC端程序不做详细说明.

4超声波测距与采集在高中物理实验中的实践案例

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超声波讲稿05-27