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作者：武汉东湖学院 张继昌 梅伟军
指导教师：何锡武

　　作品简介

　　通过超声波精确测量矩形(如房间等)的长度和宽度，自动计算出其面积。
　　组成：
　　该系统由1.电源模块 2.处理器模块 3. 超声波模块 4.显示模块组成。其构成框图如下：　　

　　实物照片：　　

　　设计说明

　　我们在日常生活中经常会遇到这样的问题，有人问你你的住宅多少方啊。有回答大概100个方吧。其实我们根本不知道房屋的占的面积。这看起来是一个小问题。但在工程上，房屋的面积必须准确测量。目前比较传统的方法是用卷尺测量。这样测量首先必须需要两个人的配合，另外测量起来不是很方便。在这种现象启发下，我们有了设计一个简易面积测量装置的灵感。
　　我们所设计的简易装置，比较简单。该装置主要有超声波模块，1602显示模块，和大赛指定STC15F2K60S2单片机，设备不是很复杂。
　　该装置的功能简单地说就是测量面积。在我们的手工焊接板上有三个按钮。通电后，选好自己所要测量位置，按下X按钮，测量一个边长，显示器会显示装置到被测边的距离，按下第三个按键显示第二个距离。按下第三个按钮显示器显示面积的大小。每次距离测量都是测量3次，取其平均值。
　　随着集成电路的飞速发展，我们可以将测设备商业化成为可能，实用性很强，价格便宜。这也体现科技服务社会，小创意大服务。

　　超声波测距系统设计
　　超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度约为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离(s)，即为：s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。
　　存在4个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
　　测距误差主要来源于以下几个方面：
 

　　实际的调试过程中，要十分注意发射和接收探头在电路板上的安装位置，这是因为每一种超声波发射、接收头都有一个有效测量夹角，这里用到的发射、接收头有效测量夹角为45°。
　　接收换能器对超声波脉冲的直接接收能力将决定该系统最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。

　　电路设计
　　显示电路设计
　　显示元件我们采用1602液晶显示器.考虑到显示的内容比较多包括X与Y坐标以及面积，1602可以担此大任.以下是1602显示电路　　

　　稳压电源设计
　　因为本次设计的元器件都可以使用+12V或是+5V的电源来驱动，所以我制作了一个稳压电源，它使用三端集成稳压器CW7812和CW7805来设计。通过变压器的直流电通过由二极管组成的桥式整流电路进入三端稳压元件，CW7812和CW7805分别为电路提供稳定的12V和5V直流电源。极性电容起滤波电容的作用，非极性电容则可以改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。如下图所示：　　

　　发射探头和接收探头间的影响
　　超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器不读取接收器在从发射开始到"虚假反射波"结束的时间段里的信号。这样，就有效的避免了干扰。

　　超声波的衰减
　　超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫超声波的衰减。引起超声波衰减的主要原因有：
　　(1)扩散衰减:超声波在传播过程中，由于声束的扩散能量逐渐分散，从而使单位面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱。超声波的声压和声强均随至声源的距离的增加而减弱。
　　(2)散射衰减:当声波要传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时，就将产生散乱反射，从而损耗了声波的能量，被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变为热能。
　　(3)粘滞衰减:声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成近质点之间的内摩擦从而使一部分声能转化热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。
　　超声波的衰减有两种表示方法。一种是用底波多次反射的次数来表示。这种方法仅能粗略地比较声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的不同材料在同样的仪器灵敏度下，观察它们的底面反射波的次数，底波次数多的材料，说明声波在该材料中衰减少，底波次数少，则声波衰减比较严重。另一种是理论上定量计算的表示方法，即用衰减系数来表示声波的衰减。

　　系统干扰因素
　　测量装置的干扰来自多方面。机械振动或冲击会对传感器产生严重的干扰;光线对测量装置中的半导体器件会产生干扰;温度的变化会导致电路参数的变动，产生干扰:以及电磁干扰等等。干扰窜入测量装置有三条主要途径，如图：　　

　　(1)电磁干扰
　　干扰以电磁波辐射的方式经空间窜入测量装置。信道干扰。信号在传播过程中，通道中各元器件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。
　　(2)电源干扰
　　这是由于电源波动、市电电网干扰信号的窜入以及装置供电电源电内阻引起各单元电路相互祸合造成的干扰。一般情况下，电磁感应和静电感应干扰主要由发电机、电动机、大功率继电器、电台等的感应引起，其强度远小于电源接地系统和U0系统的干扰，这种干扰可采用良好的屏蔽与正确的接地、高频滤波加以抑制。因此，在微机系统中，供电系统与v0通道的干扰是问题的主要方面。
　　(3)供电系统干扰及其抗干扰
　　由于供电电网面对各种用户，电网上并联着各种各样的用电器。用电器在开关机时都会给电网带来强度不一的电压跳变。这种跳变的持续时间很短，人们称之为尖峰电压。它会影响测量装置的正常工作。
　　(4)电网电源噪声
　　把供电电压跳变的持续时间At> ls者称为过压和欠压噪声。供电电网内阻过大或网内用电器过多会造欠压器声。供电电压跳变的持续时间lms
　　(5)供电系统的抗干扰
　　供电系统常采用下列几种抗干扰措施:
　　① 交流稳压器。它可消除过压、欠压所造的影响，保证供电的稳定。
　　② 隔离稳压器。由于浪涌和尖峰噪声主要成份是高频分量，它们不通过变压器级线圈之间的互感祸合，而是通过线圈寄生电容祸合。隔离稳压器初次级间用屏蔽层隔离，减少级间祸合电容，从而减少高频噪声的窜入。
　　③ 低通滤波器。它可滤去大于50Hz市电基波的高频干扰。对于50HZ市电基波 ， 则通过整流滤波后也能够完全滤除。
　　④ 独立功能块单独供电。在电路设计时，有意识地把各种不同功能块的电路单独设置供电系统电源。这样做基本可消除各单元电路因共用电源而引起相互耦合所造成的干扰.在本系统中就采用了这种电源的配置。接地系统的设计测量装置中的地线是所有电路公共的零电平参考点。理论上，地线上所有的位置的电平应该相同。然而，由于各个地点之间必须用具有一定电阻的导线连接，一量有地电流流过时，就有可能使各个地点的电位产生差异。同时，地线是所有信号的公共点所有信号电流都要经过地线。这就可能产生公共地电阻的祸合干扰。地线的多点相也会产生环电流.环路电流会与其它电路产生祸合。所以，认真设计地线和接地点对于系统的稳定是十分重要的。

　　作品特色

　　电路简单;材料经济;每次测量显示出来的都是三次测量之后的平均值，保证了测量的精确度;在市场上有实用性。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2675