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　　超声波测距器的设计

　　学生姓名： 郭翔 学号： 132028120 系 部： 电子工程系 专 业： 测控技术与仪器 指导教师：

　　2017年6月

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　　诚信声明

　　本人郑重声明：

　　所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

　　本人签名：

　　年 月 日

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　　毕业设计任务书

　　设计（论文）题目： 超声波测距器的设计 系部： 电子工程系 专业： 测控技术与仪器 学号： 132028120 学生： 郭翔 指导教师（职称）： 尚海燕(讲师)

　　1．课题意义及目标

　　随着科技的飞速发展，超声波测距器作为一种新型的非常有用的工具，在各方面

　　都将有很大的发展空间，如声纳：研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决前

　　海水中目标识别问题。毋庸置疑，未来的超声波测距将于自动化技术智能化接轨，发

　　挥更大的作用。

　　学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，深入了解掌握超声

　　波测距的原理，设计硬件结构电路，提高电路设计能力。通过对电路的焊接及调试，

　　提高动手能力。掌握电子元器件的识别选取，学会故障判断及排除，为学生在今后的

　　发展打下良好基础。

　　2．主要任务

　　（1）查阅相关文献，根据超声波测距原理，设计硬件结构电路。

　　（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。

　　（3）测试改进，实现利用超声波测距。

　　（4）以数字的形式显示测量距离。

　　（5）进一步优化完善提高系统的可靠性。

　　（6）按照毕业论文规范，撰写毕业论文。

　　3．主要参考资料

　　[1] 王爱珍，基于单片机的超声波测距系统的设计与实现[J]. 忻州师范学院学报，

　　2010(2).

　　[2] 郑恩兴，赵芷卿，关于超声波测距器的设计与研究[J]. 湖南农机，2013(1).

　　[3] 彭金晶，邹华军，单片机超声波测距器的设计与实现[J]，信息通信，2016(9).

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　　[4] 张荣，基于单片机的超声波测距器设计[J]，科技信息，2010(31).

　　[5] 田文成，周西峰，郭前岗，一种改进的超声波测距方法研究[J]，微型机与应用，2016(02).

　　[6] 高克成.超声物位计现状[J].声学技术，2002(Z1).

　　[7] 耶晓东. 超声波测距仪的设计与制作[J]. 中国科技核心期刊. 2008,28（11).

　　4．进度安排

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　　超声波测距器的设计

　　摘 要

　　随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。

　　目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。

　　随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：

　　（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。

　　（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。

　　（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。

　　关键词：超声波；测距；电子电路

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　　Abstract

　　With the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging method can't finish the task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a complete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people.

　　At present the demand for ultrasonic accurate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely application. In addition, in material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in. Along with the computer technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is becoming more and more important Compared with other ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages:

　　(1)to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identify transparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body).

　　(2) ultrasonic outside light and the electromagnetic fields to not sensitive, and can be used in the dark, dust or smoke, electromagnetic interference is strong, such as toxic bad environment.

　　(3) ultrasonic sensor simple structure, small volume, low cost, technical difficulties small, information processing, simple and reliable easy to miniaturization and integration. Performance optimization; Performance simulation; Automatic exchange optical network

　　Key Words:Ultrasonic；ranging；electronic circuit

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　　目 录

　　第1章 绪 论 ...................................................................................................................... 1

　　1.1 课题意义与背景 ...................................................................................................... 1

　　1.2 国内外研究现状 ...................................................................................................... 2

　　1.2.1 国外虚拟仪器研究现状 ................................................................................ 3

　　1.2.2 国内虚拟仪器和基于声卡的数采系统研究现状 ........................................ 3

　　第2章 虚拟仪器技术概述 ................................................................................................ 5

　　2.1 虚拟仪器的概念 ...................................................................................................... 5

　　2.2 虚拟仪器特点 .......................................................................................................... 5

　　2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较 .................................................................................. 6

　　2.4 虚拟仪器控制系统的组成 ...................................................................................... 7

　　2.5 虚拟仪器的软件结构 .............................................................................................. 8

　　2.5.1 虚拟仪器的开发语言 .................................................................................... 8

　　2.5.2 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW ................................................... 9

　　2.5.3 基于LabVIEW平台的虚拟仪器程序设计 ................................................. 9

　　第3章 数据采集系统概述 .............................................................................................. 11

　　3.1 数据采集系统概述 ................................................................................................ 11

　　3.2 数据采集系统的应用 ............................................................................................ 11

　　3.3 现行通用数据采集系统的构成 ............................................................................ 12

　　3.3.1 传感器 .......................................................................................................... 12

　　3.3.2 模拟多路开关 .............................................................................................. 12

　　3.3.3 程控放大器 .................................................................................................. 12

　　3.3.4 采样/保持器 ................................................................................................. 13

　　3.3.5 A/D转换器 ................................................................................................... 13

　　3.4 数据采集卡简介 .................................................................................................... 14

　　3.4.1 数据采集卡的结构原理 .............................................................................. 14

　　3.4.2 数据采集卡的性能指标 .............................................................................. 15

　　3.4.3 数据采集卡的选择与使用 .......................................................................... 17

　　第4章 声卡简介 .............................................................................................................. 19

　　III

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　　(2) 基于声卡的数采系统国内研究现状

　　虽说NI公司很早提出了“软件就是仪器”的概念，然而真正使这一概念完美实现的是基于声卡的虚拟仪器技术[5]。这一技术使得我们的工作如此简便，带上笔记本电脑和所需要的传感器即可进行信号测试与分析工作。应用这一技术所设计的虚拟仪器主要是由软件和计算机组成，因此又可称为“软件仪器”。虚拟仪器的核心部件是数据采集板(A/D)，随着计算机技术的飞速发展，需多计算机公司最新推出超小型笔记本电脑，整机重量不到0.9Kg，体积上并不比PDA大多少性能却十分强大。配置有AC97声卡，屏幕显示十分清晰，电池最大续航时间可7个小时，特别适合于户外携带和应用。同时Intel公司2004年初发布了音频芯片新规格(Azalia)，计算机声卡将具有更高的性能，支持32bit/192KHz信号采样率。因此，未来的虚拟仪器将会提供更为优异的性能，并且得到更为广阔的应用。

　　1.2.3 本文主要研究的内容

　　在本设计中，用普通的计算机声卡代替商用数据采集卡，研究基于PC机声卡的音频数据采集系统。程序需通过声卡采集麦克风接口的信号，在LabVIEW软件上实集析

　　时到和

　　显的处

　　示信理

　　击显及波

　　示波号

　　形进

　　。同行

　　一

　　时

　　些

　　对

　　分

　　采

　　，包括幅值谱、相位谱、功率谱等。系统具有滤波功

　　回存

　　放储

　　按数

　　键据

　　，的脑

　　面

　　能与回放试听功能，点板波播

　　上形放

　　可以滤

　　滤波前后的波形，点击试听按钮，电后

　　的

　　声

　　音

　　。

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　　第2章 虚拟仪器技术概述

　　2.1 虚拟仪器的概念

　　虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司（National Instruments）最先提出的。所谓虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统之中；可自由构建成专有仪器系统。虚拟仪器是智能仪器之后的新一代测量仪器[6]。

　　虚拟仪器的核心技术思想就是“软件即是仪器”。该技术把仪器分为计算机、仪器硬件和应用软件三部分。虚拟仪器以通用计算机和配备标准数字接口的测量仪器（包括GPIB、RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器）为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件（处理器、存储器、显示器）和测量仪器（频率计、示波器、信号源）等硬件资源与计算机软件资源（包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通讯以及图形用户界面）有机的结合起来。

　　2.2 虚拟仪器特点

　　虚拟仪器是基于计算机的功能化硬件模块和计算机软件构成的电子测试仪器，而软件是虚拟仪器的核心，如图2.1所示：

　　图2.1 虚拟仪器开发框图

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　　其中软件的基础部分是设备驱动软件，而这些标准的仪器驱动软件使得系统的开发与仪器的硬件变化无关。这是虚拟仪器最大的优点之一，有了这一点，仪器的开发和换代时间将大大缩短。虚拟仪器中应用程序将可选硬件（如GPIB，VXI，RS-232，DAQ板）和可重复用库函数等软件结合在一起，实现了仪器模块间的通信、定时与触发。源代码库函数为用户构造自己的虚拟仪器（VI）系统提供了基本的软件模块。由于VI的模块化、开放性和灵活性，以及软件是关键的特点，当用户的测试要求变化时可以方便地由用户自己来增减硬、软件模块，或重新配置现有系统以满足新的测试要求。这样，当用户从一个项目转向另一个项目时，就能简单地构造出新的VI系统而不丢失己有的硬件和软件资源。

　　2.3 虚拟仪器和传统仪器的比较

　　虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势。

　　(1) 传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。由此导致许多识读和操作错误。虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。同时，还可以根据要求和操作需要来设计仪器面板。

　　(2) 在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。

　　(3) 仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。

　　(4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。

　　(5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。

　　(6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。

　　(7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。

　　(8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。

　　表2.1是虚拟仪器与传统仪器的比较：

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　　表2.1 虚拟仪器与传统仪器的比较

　　2.4 虚拟仪器控制系统的组成

　　虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。如图2.2所示：

　　图2.2 虚拟仪器内部功能的划分

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