如何实现超声波检测的总体设计？

929 超声波

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2022-1-24 07:39:16　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 20 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 18 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 17 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 16 个回答。邀请回答科源机电该类别下有 15 个回答。邀请回答 liutiefu 该类别下有 15 个回答。邀请回答 kghfh 该类别下有 14 个回答。邀请回答 dgfdf 该类别下有 13 个回答。邀请回答 723662364d 该类别下有 13 个回答。邀请回答一巷清苑该类别下有 13 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 13 个回答。邀请回答 h1654155275.6473 该类别下有 12 个回答。邀请回答 hjhdf 该类别下有 12 个回答。邀请回答 efwedfd 该类别下有 12 个回答。邀请回答小华同学该类别下有 12 个回答。邀请回答 jsqueh 该类别下有 12 个回答。邀请回答红旧衫该类别下有 12 个回答。邀请回答早知该类别下有 12 个回答。邀请回答 Ehunt 该类别下有 12 个回答。邀请回答张峰9998 该类别下有 12 个回答。邀请回答举报遇鱼余的小白相关推荐 • 超声波检测小管径 3341 • 如何实现超声波水表流量校准的？ 1548 • 超声波感应器的应用有哪些 1885 • 如何看懂超声波图片？ 3835 • 如何使用超声波模块实现测距功能？ 1890 • 小编科普超声波测距是如何控制步进电机转动的？ 2650 • 超声波感应器的使用 2815 • STM32嵌入式是如何实现超声波测距的 1082 • 什么是超声波电源？超声波电源是什么工作原理？ 6784 • 如何去实现一种基于树莓派4B的超声波测距和显示设计 1327 1个回答

超声波的定义

波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉机械波频率在20Hz-20KHz，超声波是频率大于20KHz的机械波。在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。

超声波的物理特性

(1)超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同,通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s;
(2)超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体;
(3)能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍（如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的），超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器。
(4)功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。
超声波探头

在超声波检测过程中发射和接收超声波的装置。探头的性能直接影响超声波的特性，影响超声波的检测性能。在超声检测中使用的探头，是利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。探头中的关键部件是晶片，晶片是一个具有压电效应的单晶或者多晶体薄片，它的作用是将电能和声能互相转换。

超声波检测硬件设计

结构硬件选材

器械	数量
Arduino Uno 板	1个
超声波传感器	1个
LED灯	1个
面包板	1个
杜邦线（公对公）	一捆

HC-SR04超声波模块

HC-SR04超声波模块常用于机器人避障、物体测距、液位检测、公共安防、停车场检测等场所。HC-SR04超声波模块主要是由两个通用的压电陶瓷超声传感器，并加外围信号处理电路构成的。
模块引脚

超声波模块有4个引脚，分别为Vcc、  Trig（控制端）、  Echo（接收端）、 GND；其中VCC、GND接上5V电源， Trig（控制端）控制发出的超声波信号，Echo（接收端）接收反射回来的超声波信号。模块如图：

模块原理图

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，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式： uS/58=厘米或者uS/148=英寸;或是：距离=高电平时间*声速（340M/S） /2;建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。
注：
1、此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作。
2、测距时，被测物体的面积不少于05平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。

单片机主控模块

本设计采用Atmel Atmega328微处理控制器，如图 4 其性能为: Digital I/O 数字输入/输出端共0~13。Analog I/0模拟输入/输出端共0~5。支持ISP下载功能。输入电压:接上电脑USB时无须外部供电，外部供电7V~12V直流电压输入。输出电压: 5V直流电压输出和3.3V直流电压输出。

Arduino实物图

超声波检测软件设计

实物软件方案设计

软件实施流程图：

程序编写

程序讲解



这个程序是在超声波的程序上进行了一点小的改变，首先将LED设置为8号引脚，并且使用pinMode()函数将其设置为输出，在程序中，变化的核心是程序最后的if..else函数，下面就介绍一下该函数。

通过if…else语句，用户可以让Arduino判断某一个条件是否达到，并且根据这一判断结果执行相应的程序。

1
2
3
4
5
6

if( 表达式1 ) {
语句块1
} else {
语句块2
}

上述结构表示:如果 “表达式1” 的条件得到满足则执行“语句块1”。否则Arduino将执行“语句块2”。（如下图所示）


例:

if( a == 0 ) {
digitalWrite(LEDpin, HIGH);
}else {
digitalWrite(LEDpin, LOW);
}

在以上示例中，Arduino控制器通过判断变量a是否等于0，从而决定是否执行指令（点亮LED）
digitalWrite(LEDpin, HIGH);
假如变量a确实等于0，则执行这条指令。否则Arduino将不执行指令：(保持LED熄灭）
digitalWrite(LEDpin, LOW);
在这个示例中，if(a == 0)中的 == 是一种关系运算符号，和它相似的 = 是一种赋值符号，因此我们在使用的过程中切记不能使用错误。
除此之外//是我们常用的一种注释符号，通过这个可以让我们人为的理解但是程序不会执行出错

程序详解：

int trigPin = 11; //Trig

int echoPin = 12; //Echo

int LED = 8;       //全定义LED的数值为8

long duration, cm, inches; //定义duration, cm, inches为长整型变量

void setup() {

  Serial.begin (9600);

  pinMode(trigPin, OUTPUT);  //连接11引脚输出电压

  pinMode(echoPin, INPUT); //连接12引脚输入电压

  pinMode(LED, OUTPUT);    //连接8引脚输出电压

  //Echo INPUT输入信号，Trig OUTPUT输出信号

}

void loop()

{

  // The sensor is triggered by a HIGH pulse of 10 or more microseconds.

  // Give a short LOW pulse beforehand to ensure a clean HIGH pulse:

  //这里是超声波模块的工作原理

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  delayMicroseconds(5);    //间隔时间是可以改的，但是后文的算法你需要改变

  digitalWrite(trigPin, HIGH);

  delayMicroseconds(10);

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);  //pulseIn是内置函数专门用来读取脉冲时间间隔

  // convert the time into a distance

  cm = (duration/2) / 29.1;          //超声波数据转换算法

  inches = (duration/2) / 74;

  Serial.print("inchi, ");

  Serial.print(inches);             //通过串口监视器观察inches

  Serial.print("cm");

  Serial.print(cm);

  Serial.println();

  if(cm < 10){                      //如果距离cm小于10

  digitalWrite(LED, HIGH);          //8引脚上的LED亮，注意LED要接一个电阻防止电流过大

  }

  else{

digitalWrite(LED, LOW);          //否则输出低电压（熄灭）

  }

delay(100);

}

迷你超声波检测的组装与调试

电路设计

器械清单

器械目录超声波检测的总体设计超声波的定义超声波的物理特性超声波探头超声波检测硬件设计结构硬件选材 HC-SR04超声波模块模块引脚模块原理图工作原理单片机主控模块超声波检测软件设计实物软件方案设计软件实施流程图：程序编写程序讲解迷你超声波检测的组装与调试电路设计器械清单原理图电路连接图硬件检测超声波单元检测整体电路调试	数量
Arduino Uno 板	1个
超声波模块	1个
LED灯	1个
面包板	1个
杜邦线（公对公）	一捆
220Ω电阻	1个

原理图

电路连接图

硬件检测

确保线路连接正确后，上传程序，如若未能成功显示数据，查找原因是否为硬件损坏，更换装备后再次实验直到成功显示数据。对超声波检查完没有问题之后，我们通过主程序电路板来检查超声波是否能运行正常，串口监视器显示数据中没有出现乱码的现象显示出自己设定的数字，就代表没有任何异常。

超声波单元检测

检验超声波模块是否完好，实验成功后将会，在串口监视器中打印数据，通过if函数中的逻辑判断，观察实验结果。

整体电路调试

如果以上实验都成功了，可以试试搭建整体