超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：專 業(yè)：電氣工程與其自動(dòng)化設(shè)計(jì)(論文)題目：超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)指 導(dǎo) 教 師: 2011年2月24 日 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述文 獻(xiàn) 綜 述1 研究背景測(cè)距的原理和方法有很多，根據(jù)信息載體的不同可分為光學(xué)方法、無(wú)線電方法和超聲波方法1。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了激光、超聲波與紅外線等非接觸式測(cè)距方法。激光測(cè)距雖然測(cè)距精度高，操作簡(jiǎn)單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統(tǒng)檢測(cè)維護(hù)不便，價(jià)格相對(duì)昂貴，一般多在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。紅外測(cè)距屬于電磁波的一種，超聲波是

2、聲波測(cè)距，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更容易且不受電磁干擾影響。紅外傳播速度為3x108m/s，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的，因此在同等距離的情況下，超聲波的傳播時(shí)間遠(yuǎn)大于紅外，往返時(shí)間更易測(cè)量1。由于超聲波方向性好、超聲測(cè)量無(wú)接觸，超聲波測(cè)距系統(tǒng)價(jià)格低廉、易實(shí)現(xiàn)、信息處理簡(jiǎn)單可靠，所以利用超聲波進(jìn)行距離和長(zhǎng)度的測(cè)量越來(lái)越受到人們的重視。超聲波技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從理論技術(shù)的研究到大圍的工業(yè)應(yīng)用。在這期間，雷達(dá)技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)等技術(shù)的發(fā)展對(duì)超聲波技術(shù)不斷更新和發(fā)展起到了很大的促進(jìn)作用2。2 國(guó)外研究現(xiàn)狀一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年F.Galton的氣哨實(shí)

3、驗(yàn)，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個(gè)鮮為人知的東西，由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對(duì)超聲波的研究造成了一定程度的影響3。1917年，法國(guó)人Langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對(duì)低頻的超聲波。這種方法可以用來(lái)檢測(cè)水中是否存在潛艇并進(jìn)行水下通信聯(lián)絡(luò)。在這之后對(duì)超聲的研究主要體現(xiàn)在電子領(lǐng)域4。1925年，Pierce使用石英傳感器和鎳傳感器來(lái)產(chǎn)生和探測(cè)超聲波，而且頻率擴(kuò)展到兆赫級(jí)。至此；Debye,Sears,Lcas分別發(fā)現(xiàn)了超聲波的衍射光柵，用超聲波來(lái)研究液體和氣體的聲學(xué)特性方法得到穩(wěn)定發(fā)展。 1927年Hantalnnn和Tro11e解決了超聲汽笛

4、的許多細(xì)節(jié)問(wèn)題，這些汽笛被證明在流畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告體中最高功率可達(dá)50W。1929年，Sokolov首先提出用超聲波探查金屬物部缺陷的建議。相隔2年，1931年Mulhauser獲準(zhǔn)一項(xiàng)關(guān)于超聲檢測(cè)方法的德國(guó)專利，不過(guò)他并未做更多的工作2。4年后，1934年sokolov首次發(fā)表了關(guān)于在液體槽子里用穿透法作實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果，他用了各種方法做了實(shí)驗(yàn)，用來(lái)檢測(cè)穿過(guò)試件的超聲能量，其中之一是用簡(jiǎn)單的光學(xué)方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋。德國(guó)人Bergrnann在他的論著ULTRASONIC中，詳細(xì)的論述了有關(guān)超聲波的大量早期資料，該論著一直被認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作。1950年以后

5、，雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了超聲波探傷技術(shù)發(fā)展；電子計(jì)算機(jī)、激光技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展又加速了超聲波技術(shù)的發(fā)展。脈沖調(diào)制的超聲波廣泛地應(yīng)用于無(wú)損探測(cè)、醫(yī)療診斷與各種工業(yè)控制中3。1965年，新材料和新技術(shù)以與微波傳播理論得到深入研究，產(chǎn)生了頻率超過(guò)IOOGHz的超聲波。這些超高頻的超聲波開(kāi)始應(yīng)用于物理學(xué)基礎(chǔ)研究、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域中。1980年，美國(guó)國(guó)家儀器(NationalInstruments)研發(fā)了各種軟件技術(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)試測(cè)量。1992年 FigneroaJ.F提出一種新的超聲回波計(jì)時(shí)方法，該方法利用峰值和相位相加得到回波時(shí)延岡。這種方法所能達(dá)到的精度指標(biāo)為：18一34米，誤差精度2%。19

6、97年Kimiyuki等人提出了一種基于像散焦點(diǎn)差探測(cè)理論的新的超聲波傳感器，并證明了它的可行性5。2007年，HanneSElmer利用編碼信號(hào)對(duì)高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了實(shí)現(xiàn)高分辨率的方法。2008年，美國(guó)APRESYS測(cè)距儀公司推出了一系列的超聲波測(cè)高儀，這些測(cè)高儀體積小、便于攜帶，能夠滿足不同的測(cè)高要求。近幾年，電子技術(shù)與壓電瓷材料的發(fā)展使超聲檢測(cè)技術(shù)得到迅速發(fā)展。美國(guó)普力塞思公司研制了APRESYS超聲波測(cè)距儀，實(shí)現(xiàn)了高速精確的長(zhǎng)寬高測(cè)量與面積測(cè)量6。加拿大柏威騰超聲波設(shè)備廠研制了各種超聲波測(cè)量與工業(yè)應(yīng)用設(shè)備。在無(wú)損探傷、測(cè)溫、畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告測(cè)距、流

7、量測(cè)量、液體成分測(cè)量等方面，新的超聲檢測(cè)儀不斷出現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。3 國(guó)研究現(xiàn)狀 在我國(guó)，超聲學(xué)的研究始于二十世紀(jì)六十年代，1959年至1964年間我國(guó)建立了分子聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了固體中超聲衰減的測(cè)量設(shè)備，對(duì)粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰減的研究取得了令人振奮的成果。同時(shí)在超聲波探傷、加工、種子處理、顯示、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域取得了可喜的成績(jī)。從1970年我國(guó)開(kāi)始了高頻表面波的研究，并在1977年成功研制了表面脈沖壓縮濾波器7。 1980年以后，我國(guó)的超聲研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階段，取得了一系列標(biāo)志性成果，壓電復(fù)合材料研制成功，窄脈沖短余振探頭問(wèn)

8、世，PVDF高分子壓電薄膜材料趕超了國(guó)際水平，高分子壓電PVDF型換能器和超聲顯微鏡得到了應(yīng)用，高頻壓電材料LINbO3研制成功。在應(yīng)用方面，B超和A超醫(yī)療探頭開(kāi)始投入生產(chǎn)并應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，超聲顯微鏡也投入使用4。 隨著工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和裝配過(guò)程中自動(dòng)識(shí)別的需要，再加上超聲測(cè)距具有的無(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，使得對(duì)超聲技術(shù)的研究不斷深入。在超聲波測(cè)距中，1995年月花在可調(diào)式實(shí)用超聲波發(fā)生器的研制過(guò)求相關(guān)性來(lái)求延遲時(shí)間，利用插值公式進(jìn)行解釋，提高了超聲波的測(cè)量精度8。1996年中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出了一種雙頻超聲波測(cè)距的原理和方法。1998年，曼斯德馬泰克()推出了一種數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x3，同年

9、，童峰等人在文章中根據(jù)聲的發(fā)射、反射的傳輸理論推倒出測(cè)距回波包絡(luò)曲線的近似方程，提出了高精度信號(hào)處理方法，在2.5m12m的圍，測(cè)量誤差達(dá)到0.25%。這些理論研究的提出和儀器的研制代表了超聲波技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的歷史時(shí)期。 2000年，童峰、許肖梅等提出一種以均方誤差為觀察對(duì)象的LMS自適應(yīng)延時(shí)估計(jì)算法，這種算法極大的提高了超聲測(cè)距的可靠性，但是算法較為復(fù)雜，運(yùn)算量大，不利于實(shí)時(shí)處理。2002年，王光亮等人對(duì)基于超聲波測(cè)距的家用自主式移動(dòng)吸塵器路徑規(guī)劃算法進(jìn)行了研究，充分說(shuō)明了超聲波測(cè)距系統(tǒng)己經(jīng)從理論研究階段轉(zhuǎn)化為在人們?nèi)粘Ｉ?業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告活中的運(yùn)用階段4。2006年，

10、雷建龍利用超聲波測(cè)距原理對(duì)液位測(cè)量?jī)x進(jìn)行研制，提出了便攜式液位測(cè)量?jī)x的實(shí)現(xiàn)方法9。2007年薛麗芳等人依照實(shí)際設(shè)計(jì)的測(cè)距儀詳細(xì)介紹了一種基于超聲波的測(cè)距系統(tǒng)，采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄔ黾訙y(cè)距精度，并對(duì)超聲波測(cè)距的精度問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的討論8。2008年，軍械工程學(xué)院的王紅云在基于超聲波測(cè)距的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中利用數(shù)字傳感器對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，并利用聲速與溫度之間的校正公式對(duì)聲速進(jìn)行校正，提高了時(shí)間測(cè)量精度，從而提高了測(cè)量距離的準(zhǔn)確度，測(cè)量距離在5m以，可以滿足安全倒車的要求10。 目前，超聲波技術(shù)己經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)

11、等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。迄今為止，我國(guó)在超聲的各個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)展了研究和應(yīng)用，其中少數(shù)項(xiàng)目己接近或達(dá)到了國(guó)際水平12。然而，國(guó)在超聲波測(cè)量精度方面較國(guó)外仍有差距，超聲波測(cè)距專用集成電路的精度只能達(dá)到厘米級(jí)，能夠滿足一般工業(yè)測(cè)量的要求，但對(duì)于一些精度要求較高的測(cè)距場(chǎng)合就不適合了1。然而，工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)測(cè)距、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化裝配與檢測(cè)的需要以與信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展對(duì)超聲波技術(shù)的測(cè)量精度要求越來(lái)越高，國(guó)的超聲波技術(shù)有待于在這方面加大研究力度，得到更大發(fā)展。4 課題研究的意義 超聲波在測(cè)距方面具有以下突出的優(yōu)點(diǎn): (l)環(huán)境介質(zhì)可為空氣、液體或固體等，適用圍廣泛； (2)對(duì)外界光線和電

12、磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)等惡劣環(huán)境中，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度； (3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化7；由于超聲波具有以上特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量物體的距離、厚度、液位等領(lǐng)域。在超聲波探傷、自動(dòng)泊車系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，超聲波測(cè)距有其重要的應(yīng)用13。 隨著雷達(dá)技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)也得到和不斷的更新和發(fā)展，超聲波技術(shù)己經(jīng)從最初的理論研究發(fā)展到大圍地應(yīng)用在無(wú)損探傷、測(cè)溫、測(cè)距、流量測(cè)量、液體成分測(cè)量、巖體檢測(cè)等方面。在這期間，超聲波技術(shù)不斷得到完善并趨于成熟16。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前我國(guó)所研制出的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在性能方

13、面有了很大畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告的改善，但在精度等方面仍然很落后。高速度和高效率是現(xiàn)代化工業(yè)的標(biāo)志，這些都是建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上，精度作為高質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，需要加大力度對(duì)其進(jìn)行研究。另外，我國(guó)正在使用的高精度超聲測(cè)距系統(tǒng)大多從國(guó)外進(jìn)口，很大程度制約了工業(yè)的發(fā)展，增加了工業(yè)生產(chǎn)線投資成本，由于工業(yè)發(fā)展以與經(jīng)濟(jì)成本的制約，在超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研制和使用方面我國(guó)迫切的需要加大國(guó)產(chǎn)化的力度。因此，為了使我國(guó)的工業(yè)化生產(chǎn)與裝配立足國(guó)、走向世界，對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)精度和實(shí)時(shí)性問(wèn)題進(jìn)行研究具有很高的實(shí)際意義3。參 考 文 獻(xiàn)1 鄒軼.近距離高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D. 理工大學(xué) 20092

14、 仲明.大量程超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究D. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 20063 王麗娜.基于小波變換高精度在線超聲波測(cè)距技術(shù)研究D 理工大學(xué) 20094 林書(shū)玉著.超聲換能器的原理與設(shè)計(jì)M. 科學(xué), 2004 5 寶亮,偉.單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用J. 東北電力學(xué)院學(xué)報(bào) 1996年04期 6 賈莉娜.超聲物位檢測(cè)系統(tǒng)中的誤差來(lái)源與補(bǔ)償方法J. 儀器儀表用戶 2005年01期 7 程鐵棟,麗榮.CPLD和單片機(jī)的高精度超聲測(cè)距系統(tǒng)J. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 2005年12期 8 畢然.基于嵌入式系統(tǒng)的倒車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)D. 大學(xué) 2009 9 司春寧.基于超聲波的距離測(cè)量系統(tǒng)的研究與其應(yīng)用D. 東華大學(xué)

15、 2009 10 丹.基于單片機(jī)控制的超聲測(cè)距系統(tǒng)的研究D. 師大學(xué) 2008 11 孔雅瓊.基于單片機(jī)的超聲測(cè)距儀研究與開(kāi)發(fā)D. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2007 12 王瑩.高精度超聲波測(cè)距儀的研究設(shè)計(jì)D. 華北電力大學(xué)（） 2006 13 黃建兵.超聲波精確測(cè)距的研究D. 理工大學(xué) 2004 14 戴曰章,吳志勇.基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù) 2005年02期 15 牛余朋,成曙.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)J. 兵工自動(dòng)化 2005年04期 16 史彥斌,段哲民,高憲軍.基于AT89C2051的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)J. 計(jì)測(cè)技術(shù) 2006年01期 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)

16、（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告2課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑） 1 本課題要研究和解決的問(wèn)題本課題的首先要解決的問(wèn)題就是整個(gè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，有了整體設(shè)計(jì)才能根據(jù)各部分的功能分別從硬件和軟件上解決問(wèn)題；其次，系統(tǒng)的誤差分析和檢測(cè)也是一個(gè)難點(diǎn)；最后，軟件程序的設(shè)計(jì)和實(shí)物的制作與調(diào)試也需要攻克。2 根據(jù)問(wèn)題所擬定的研究手段本課題有三個(gè)主要問(wèn)題需要解決，分別是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)、系統(tǒng)誤差規(guī)避、系統(tǒng)程序和系統(tǒng)實(shí)物設(shè)計(jì)制作。其中，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)可以通過(guò)查閱相關(guān)資料和借鑒工業(yè)成品來(lái)解決；系統(tǒng)誤差規(guī)避主要通過(guò)所學(xué)知識(shí)和查閱相關(guān)資料吸取總結(jié)已有經(jīng)驗(yàn)，提高制作工藝規(guī)避系統(tǒng)誤差和偶然誤差來(lái)實(shí)現(xiàn)；軟件程序的設(shè)計(jì)和實(shí)

17、物的制作與調(diào)試可以根據(jù)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行，對(duì)于該過(guò)程中所遇到的問(wèn)題可以通過(guò)查閱相關(guān)資料，和同學(xué)討論，詢問(wèn)指導(dǎo)老師，到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)等手段解決。具體如下：（1）硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)包括以下幾部分：以單片機(jī)AT89S51為核心，周圍電路包括顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路、掃描驅(qū)動(dòng)等。AT89S51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。采用AT89S51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)P1.0引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就

18、認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。系統(tǒng)組成如圖1所示：畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告AT89S51超聲波接收超聲波發(fā)送LED顯示掃描驅(qū)動(dòng) 圖1（2）軟件設(shè)計(jì)由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序與顯示子程序等部分。首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344 m/s則有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）  測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。主程序框圖如圖2所示： 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）開(kāi) 題 報(bào) 告系統(tǒng)初始化開(kāi)