论文总字数：15875字

摘 要

水下深度的精确测量对于了解河流海洋的地貌特征，水井的探测，以及控制水位的变化等方面都有着至关重要的作用。随着我国工业化水平的快速发展，小型化、智能化、便携式已成为主流趋势。因此，本设计开发了一种精确度高，便携的超声波水深测量系统，该系统可以对河流海洋以及水库水井的深度进行测量。根据测量需求，本次系统以stm32f407为MCU，量程为0.6-120m，采用的超声波中心频率为200kHz，精度可达3.75mm。硬件电路包括最小系统，供电模块，发送模块，接收模块，通信模块等。使用C语言对整个系统进行软件设计，利用脉冲回波法计算出超声波在水下的传播时间，将数值传输到上位机并显示，最终实现水下测距的功能。将实验的数据进行分析，总结了一系列的误差来源。

关键词：超声波换能器；stm32f407；水深测量；通信

Abstract

The accurate measurement of the underwater depth is of vital importance in understanding the landform features of rivers and oceans, the detection of wells, and the control of changes in water levels. With the rapid development of my country's industrialization level, miniaturization, intelligence and portability have become mainstream trends. Therefore, this design has developed a highly accurate and portable ultrasonic water depth measurement system, which can measure the depth of rivers, oceans and reservoir wells. According to the measurement requirements, this system uses stm32f407 as the MCU, the range is 0.6-120m, the ultrasonic center frequency used is 200kHz, and the accuracy can reach 3.75mm. The hardware circuit includes the minimum system, power supply module, sending module, receiving module, communication module and so on. C language is used to design the software of the whole system, the pulse echo method is used to calculate the propagation time of the ultrasonic wave under water, the value is transmitted to the upper computer and displayed, and finally the function of underwater ranging is realized. Analyze the experimental data and summarize a series of error sources.

Key Words：Ultrasonic transducer; stm32f407; Bathymetry;Communication

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.2 研究目的及意义 1

1.3国内外研究现状 1

1.4 研究内容和方法 3

1.4.1 研究方法 3

1.4.2 研究内容 3

1.5论文章节安排 3

第2章 水深测量系统设计整体方案 5

2.1性能指标 5

2.2方案选择 5

2.3工作原理 5

2.3.1时延估计法 5

2.3.2系统整体结构 7

2.3.3超声波换能器 7

第3章 硬件电路设计 9

3.1 微控制器介绍 9

3.1.1 微控制器选择 9

3.1.2 微控制器介绍 9

3.2 最小系统电路设计 10

3.3供电电路 11

3.4驱动电路 12

3.5 接收电路 13

3.5.1限幅电路 13

3.5.2 前置放大电路 13

3.5.3带通滤波电路 14

3.5.4末端放大电路 15

3.6通信电路与显示 16

第4章 系统软件设计 17

4.1 软件开发平台介绍 17

4.2 软件整体结构设计 17

4.3各功能模块设计 18

4.3.1 PWM信号输出 18

4.3.2 ADC转化 19

4.3.3 信号处理 19

4.3.4 显示程序 20

第5章 测试与分析 21

5.1 测试 21

5.1.1电压检测 21

5.1.2 烧录 21

5.1.3实战测试 22

5.2误差分析 24

5.2.1系统误差 24

5.2.2随机误差 25

5.3 精度矫正 25

第6章 总结与展望 26

6.1 工作总结 26

6.2 展望 26

参考文献 28

致谢 29

第1章 绪论

1.1课题研究背景

液位测量在各个领域都有所涉及，液位也是其安全控制的重要参数^[1]。例如，污水水位监测，航道安全检测，工业过程控制等，不同的领域对液位检测精度要求，量程均不相同。过去的液体测量方法一般是靠人工将标尺深入液体内部进行接触式测量，不仅测量的精度较低，而且效率较为低下，量程与液体的性质也具有局限性。对于河流海洋等深度较大的测量，一般使用测量船，虽有测量精度高，高集成等优点，但是有维护成本较高，数据处理时间较长等缺点^[2]。目前多采用非接触式测量，即红外测量，超声波测量。红外测量虽成本较低，但由于光速太快，测量的最小距离太大，具有非线性。相比之下，超声波在空气中的传播速度较慢，回波信号在传播方向上容易检测出来，具有较高的分辨力，且波长较短，近似直线传播，能量衰减较小，超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等优点^[3]，所以采用超声波测量是较为有效的方式。将测深系统搭载在船上，可灵活的在要测量的各个区域进行实时的数据采集处理与传输，成本较低，简单方便^[4]，对了解各个角落的水深具有较大意义。

1.2 研究目的及意义

随着芯片功能的越来越强大，电路的集成度越来越高，测量仪器已经变得小巧化，智能化，实时化。我国的河流众多，水上交通运输在国民经济建设中的地位已经越来越重要^[5]，河流的水深直接关系到船舶的航行安全。降雨量的大小，水体流动，人为等因素，均会实时的改变河流海洋的水位，水深存在着时间分布的不确定性和空间分布的不均衡性，如果水位测量更新不及时，就会成为航行的巨大安全隐患。这需要一个较高频率的测深仪，将河流海洋的各个角落的深度测量出来，精确的控制船舶的航行方向。本文从超声波原理出发，根据超声波的频率性能，选择了合适的控制芯片，发送电路和接收电路，具有一定的可开发性能，可在此基础上进行一定的功能拓展，使功能更加强大，同时体积小巧轻盈，可实现对液位的精准测量，具有低成本，低功耗，高效率，高精度的特点。

1.3国内外研究现状

超声波检测技术的产生离不开超声换能器的发明。最早的超声换能器是在1917年，法国物理学家朗之万（P.Langevin）以石英晶体为压电激活材料，用两块钢板加紧，为水下探测设计的夹心式换能器^[6]。在第一次世界大战中，朗之万利用超声波制成了一种水下探测潜水艇装置，为国家做出了杰出的贡献，同时也开创了近代水声学。目前，超声波不仅用于军工行业，在各个领域都有所涉及，如：雷达倒车装置，超声波探鱼器，水下目标定位^[7]等。对于水下超声波测距设备，国外起步比较早，研究的技术较为成熟，其设计出的产品精度高，稳定性好，在各个领域都已得到了广泛的应用。较为成熟的应用产品有丹麦的SeaBat8125 多波束探测仪，最大的测量深度可达1.5km，常用于古文物的鉴定以及大型水下工程等，但对于小距离的测量并不适用。如今，美国研发制造的HydrotracⅡ单频测深仪如图1.1广受好评，可选择多个工作频率，可实现0.2m-600m水下不同深度的测量，分辨度可达1cm，具有便携，结构紧凑，性价比较高等优点。

国内对于数字水下测深设备的研究较晚，工业大部分采用的是国外进口仪器，不仅价格较为昂贵，而且处处受到限制。从上世纪90年代开始，我国才将超声水深测量系统应用到船舶海洋中，由于我国具有独立研发能力的企业较少，对于高精密仪器的研发发展较为缓慢，研制出的仪器性能远远比不上国外的先进水平。当下，我国实行科技强国的科技发展战略，国内纷纷涌起了一批具有独立研发能力的企业，测深仪的研制有了大大的发展，如南通赛洋电子有限公司自主研制的ES9000系列测深仪如图1.2，以DSP为处理器，能对2000m深度以内进行深度测量，精度可达0.1m。南京俊禄科技有限公司的DS1068-1液晶导航测深仪，基本量程为0-800m，用于国际，国内航海及内河航行导航。由此可见，我国在此领域的发展较为迅速，前景是极为乐观的。

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