便攜式超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

本科生畢業(yè)論文(設(shè)計)調(diào)研報告題目：便攜式超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：石揚_________學(xué)號：_______專業(yè)班級：自動化12102班______指導(dǎo)教師：周志剛_________完成時間：2015年12月10日______便攜式超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計1、主要目標(biāo)任務(wù)根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理，以超聲波傳感器為檢測部件，應(yīng)用單片機技術(shù)和超聲波在空氣中的時間差來測量距離，設(shè)計出一個便攜式超聲波測距系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)測量范圍：0-3m，測量誤差：1cm。要求設(shè)計系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，并進行調(diào)試或系統(tǒng)仿真。3、簡要設(shè)計原理該系統(tǒng)是一種基于STC89C52單片機的超聲波測距系統(tǒng)，它根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理，以超聲波傳感器為檢測部件，應(yīng)用單片機技術(shù)和超聲波在空氣中的時間差來測量距離。該系統(tǒng)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個模塊構(gòu)成。通過單片機的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40KHz的超聲波，反射波經(jīng)由超聲波檢測接收電路、放大電路送入單片機外部中斷端，由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差，最終計算出超聲波發(fā)生器到障礙物的實際距離,完成測距并在數(shù)碼顯示電路中顯示。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴展性差，所以基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，決定采用單片機作為主控制器，控制超聲波的接收和發(fā)射，并用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成因為不同的超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，本設(shè)計要進行近距離測量，所以選用利用電氣方式產(chǎn)生超聲波的超聲波發(fā)生器—壓電式超聲波換能器。4、課題文獻綜述近年來隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機器人視覺識別等方面。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。目前在國內(nèi)超聲波測距儀的發(fā)展主要采用引進加仿制等手段，一般測量精度高，回波穩(wěn)定。但是我國在該領(lǐng)域的發(fā)展相對國外還有很大差距，普遍存在產(chǎn)品性能指標(biāo)低、儀表可靠性差、企業(yè)技術(shù)力量及裝備差等問題。國內(nèi)外的學(xué)者在提高超聲波測距方面做了大量的研究，影響超聲波測距精度的因素包括所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，其中傳輸時間的精度影響較大。許多人提出采用降低傳輸時間的不確定度來提高測量精度，目前，相位探測法和聲譜輪廓分析法或者二者的結(jié)合是主要的降低傳輸時間不確定度的方法。廈門大學(xué)的童峰提出了一種回波輪廓分析法，該方法在測距中通過兩次探測求取回波輪廓包絡(luò)曲線來求得回波的起點，通過這種方法使測量精度有了很大的提高。意大利的Carullo等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，發(fā)射特殊的波形來獲得好的回波包絡(luò)，設(shè)置一定的回波開啟電平，并采用自動增益的控制放大器。也有文獻提出通過數(shù)字信號處理技術(shù)和小波變換理論來提高測量精度。1、《超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計》1)作者：瞿金輝周蓉生2）摘要：根據(jù)聲波在空氣中傳播反射原理,以超聲波換能器為接口部件,應(yīng)用單片機技術(shù)對超聲波在空氣中的傳播時間進行測量,設(shè)計了超聲波檢測系統(tǒng)。詳細(xì)介紹系統(tǒng)硬件組成、檢測原理、方法以及系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。3）總結(jié)：實驗表明，本系統(tǒng)測量范圍較大（最大限定15m），測量誤差小，且所用元件都是常規(guī)部件，因而本系統(tǒng)具有較強的實用價值。要滿足更高的精度要求,還須進行適當(dāng)改進，例如，可增加溫度補償單元；可以進一步改進接收電路，提高接收電路的反應(yīng)速度；對于發(fā)射電路，可以直接采用硬件電路發(fā)生脈沖等。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，對于物理量的非接觸性測量將會有更大的需求，超聲波測距技術(shù)將會有更大的發(fā)展。2、《超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計》1）作者：王維斌2）摘要：介紹了一種以AT89552單片機為核心控制器件的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計方法。系統(tǒng)通過測得超聲波自發(fā)射到接收的往返時間,根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度,計算得到測量距離。同時,為了提高超聲波測距精度,采用溫度傳感器進行環(huán)境溫度檢測,對超聲波的傳播速度進行校正。由于超聲波具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾,測量精度高等優(yōu)點,因此,系統(tǒng)可以用于工業(yè)測距,距離開關(guān),汽車安全,智能機器人等領(lǐng)域。3）總結(jié)：本系統(tǒng)由于發(fā)射功率和超聲波發(fā)射探頭的原因,測量距離在10mc到500cm之間,在近距離測量和遠(yuǎn)距離測量時存在誤差較大,在50cm和200mc之間測量時精度最好,誤差不大于Icm。在本設(shè)計中由于超聲波發(fā)射周期為10個25us的方波,因此發(fā)射時間為=T250uS,已知常溫下聲速C為340m/S,可知S=CT/2=250u/2=8.5cm,因此確認(rèn)測距盲區(qū)為9cm。即當(dāng)測量距離小于9mc時不能正確測量。3、《國內(nèi)超聲波測距研究應(yīng)用現(xiàn)狀》1）作者：李戈，孟祥杰，王曉華，王重秋2）摘要：本文結(jié)合超聲波測距原理，對超聲波回波信號處理、新型換能器研發(fā)、發(fā)射脈沖選取的國內(nèi)研究現(xiàn)狀，以及該技術(shù)在液位測量、移動機器人定位和避障、汽車防撞、曲面仿形檢測的應(yīng)用現(xiàn)狀作了綜述，分析了超聲波測距系統(tǒng)現(xiàn)階段存在的常見問題，相應(yīng)提出了解決方案，并對超聲波測距的發(fā)展與應(yīng)用趨勢進行了展望。3)總結(jié)：超聲波測距作為非接觸式檢測技術(shù)的典型方法之一，以其價格低廉、信號處理可靠、不受電磁、天氣影響等優(yōu)勢，必將擁有廣闊的市場前景!綜合分析國內(nèi)超聲波研究現(xiàn)狀，本文對超聲波測距研究趨勢做以下幾點展望:目前，超聲波換能器多采用壓電陶瓷材料和磁致伸縮材料來制造。這兩種材料制造的換能器存在一定的阻抗失配問題，即在驅(qū)動脈沖結(jié)束后，由于慣性會繼續(xù)振動產(chǎn)生盲區(qū)，進而影響系統(tǒng)的測量精度。因此，超聲換能器制造材料的改進是超聲波測距技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。隨著回波信號處理方法的逐漸完善，選擇更合理的超聲波發(fā)射脈沖、研發(fā)更高性能的超聲波換能器，來提高超聲波測距系統(tǒng)的有效作用距離、分辨力、測量精度和抗干擾性等性能，是超聲波測距理論的又一個重要研究方向。此外，基于超聲波測距、CCD探測、雷達(dá)測距、激光測距等多種非接觸式檢測技術(shù)均具有各自優(yōu)點。本文認(rèn)為將多種非接觸式傳感器合理地冗余復(fù)合使用，充分發(fā)揮各檢測方法的優(yōu)勢，可以得到更精確的檢測結(jié)果，這也將成為測距技術(shù)發(fā)展的一個熱點?！痘趩纹瑱CAT89S52的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計》1）作者：李淑萍2）摘要：介紹了基于AT89S52單片機為主控件的超聲波測距儀的工作原理、硬件和軟件的設(shè)計。硬件主要由超聲波發(fā)射、接收檢測電路和顯示電路組成。該系統(tǒng)測量精度高．能夠清晰地顯示測量結(jié)果，可應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。3）總結(jié)：本設(shè)計硬件簡單，容易實現(xiàn)，測距范圍適中。測量誤差可以控制在士1cm左右。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，設(shè)計中通過采用溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ曀賑并且可以動態(tài)顯示溫度，能夠準(zhǔn)確測量溫度。另外，系統(tǒng)軟件采用合理算法，提高了測量精度，具有較好的應(yīng)用價值?！痘趩纹瑱C控制的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計》作者：許艷慧摘要：本文介紹了一種基于單片機控制的超聲波測距系統(tǒng).詳細(xì)闡述了其硬件及軟件的設(shè)計原理。此系統(tǒng)經(jīng)濟實惠,可用于汽車倒車防撞裝置、移動機器人.建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控,也可以用于如液位,井深管道長度的測量等場合?？偨Y(jié)：基于單片機控制的超聲波測距系統(tǒng),增強了超聲波的抗于擾能力,減少了人為計算給測距帶來的誤差.簡化了外圍接口電路,當(dāng)今社會是人與自然和諧發(fā)展的社會,節(jié)約能源己經(jīng)成為當(dāng)今社會的主題.在同樣性能指標(biāo)下的系統(tǒng)設(shè)計,以節(jié)約資源和價格合理而被采用。本系統(tǒng)解決了實際生活中測距方面帶來的不便,一點可以到達(dá),而另一點不可到達(dá)的實際問題,避免了給人帶來諸多的危險。《智能超聲波測距儀的研制》1）作者：劉成安孫濤2）摘要：為了滿足智能化、無接觸距離測量要求,自主研制了一種性價比高、體積小的智能超聲波測距儀,本文給出其具體實現(xiàn)方案。對該系統(tǒng)進行的實驗,驗證了本文提出的方法的正確性和有效性,并能夠達(dá)到較高的測量精度。3）總結(jié)：采用溫度補償?shù)姆椒ㄋO(shè)計的超聲波測距儀,在實際測量中,能達(dá)到很高的使用精度,實現(xiàn)了非接觸、低功耗、免維護、性價比高等特點,是一款有很好市場前景的智能式測距儀。本文作者創(chuàng)新點:本系統(tǒng)以低價ATmega8工控單片機為控制核心,此單片機具有驅(qū)動能力強,運行速度快,抗干擾能力強等特點,使得其在外接驅(qū)動電路上大為簡化,作為產(chǎn)品開發(fā)時其性價比高;其次,由于本系統(tǒng)采用脈沖法測距,系統(tǒng)在遠(yuǎn)距與近距時都可實現(xiàn)精確測量,所以系統(tǒng)的測量范圍更廣,精度更高。《便攜式超聲波測距儀設(shè)計》1）作者：閻煥忠王長濤王鑫閔莉2）摘要：以AT89C52單片機為核心，本文設(shè)計了低成本、便攜、可數(shù)字顯示的測距儀，利用超聲波測距原理，實現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的測量、該測距儀適應(yīng)一般的工業(yè)測量，具有靈敏度高、測量準(zhǔn)確的特點。3）總結(jié)：經(jīng)過對本設(shè)計進行實際檢測數(shù)據(jù)的分析，測試結(jié)果符合設(shè)計要求、設(shè)計充分利用了單片機的中斷資源，采用軟硬件相結(jié)合的方法來實現(xiàn)實時快速采集數(shù)據(jù)功能，利用軟件的靈活性，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，減少了CPU的負(fù)擔(dān)，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)處理（包括距離值的計算和存儲顯示）、為了將系統(tǒng)應(yīng)用于更多領(lǐng)域，可以集成多種功能，如數(shù)據(jù)的存儲可以選用U盤作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，在數(shù)據(jù)的傳輸上采用無線傳輸方式進行遠(yuǎn)距離傳輸、進一步擴展系統(tǒng)功能將使得系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。8、《超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計》1）作者：李長陽2）摘要：利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，結(jié)合實際，重點介紹了超聲波測距系統(tǒng)的電路設(shè)計。3）總結(jié)：利用單片機設(shè)計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀、經(jīng)實際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比，由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中此誤差為3C111可忽略不計；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機器人自動測距等方面，此誤差不能忽略，只有通過改變!!!些硬件的應(yīng)用實現(xiàn)對超聲波的快速鎖定，可以滿足更高要求。9、《超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計》1）作者：羅兆緯葉玲玲黃振星葉志敏劉欣2）摘要：本文設(shè)計了以AT89C52單片機為核心超聲波測距電路。電路由主控制器模塊、超聲波測距模塊和諾基亞顯示模塊等三個基本模塊構(gòu)成,通過對三個基本模塊各自特點進行分析,實現(xiàn)距離測定功能。3）總結(jié)：超聲波測距模塊自帶發(fā)射接收和控制電路,只需要單片機給觸發(fā)信號便可進行工作通過軟件設(shè)計和硬件相應(yīng)配合,對所測距進行記錄、顯示工作,實現(xiàn)實時監(jiān)測。軟件設(shè)計主要是完成超聲波發(fā)射接收回來的數(shù)據(jù),通過AT89C52單片機控制,進行相應(yīng)的算法調(diào)整,將測量結(jié)果數(shù)值顯示在顯示屏上。實際測試結(jié)果證明由,本文提出的以AT8C952單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)可實現(xiàn)短距離范圍的精確測量?！痘贏T89S52單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計》1）作者：吳超戴亞文2）摘要：基于低成本、高精度的目的提出了一種超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計方案.設(shè)計硬件部分采用AT89S52單片機作為主控MCU,電路部分主要有發(fā)射電路、接收電路、顯示電路幾部分組成.本文在分析了超聲波測距原理的基礎(chǔ)上指出了設(shè)計測距儀的思路和所需考慮的問題,給出了實現(xiàn)超聲波測距方案的軟、硬件設(shè)計系統(tǒng)框圖.在設(shè)計中兼顧了系統(tǒng)性能和器件成本的關(guān)系,降低了整套系統(tǒng)的成本。3）總結(jié)：本文利用單片AT89S52設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡,成本低廉,可靠性強,靈敏度在2m以內(nèi)可達(dá)到cm級,實際制作中加入DS18B20溫度檢測集成電路會使測量更加精確[2].采用CX20106A芯片用于檢波放大,減少了電路之間的互相干擾,減小了電噪聲.該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、機器人檢測以及物位測量領(lǐng)域?！禪ltrasonic

ranging

system

design》1）Bradford2）Abstact:Ultrasonic

ranging

technology

has

wide

using

worth

in

many

fields,and

engineering．has

been

used.

measurement，navigation，and

underwater

detection，，location

and

so

on．So

there

is

an

important

practicing

meaning

to

learn

the

ranging

theory

and

ways

deeply.

To

improve

the

precision

of

the

ultrasonic

ranging

system

in

hand，satisfy

the

request

of

the

engineering

personnel

for

the

ranging

precision，the

bound

and

the

usage，．：，Ranging

System，ConclusionsRequired

measuring

range

of

30cm~200cm

objects

inside

the

plane

to

do

a

number

of

measurements

found

that

the

maximum

error

is

0.5cm,

and

good

reproducibility.Single-chip

design

can

be

seen

on

the

ultrasonic

ranging

system

has

a

hardware

structure

is

simple,

reliable,

small

features

such

as

measurement

error.

Therefore,

it

can

be

used

not

only

for

mobile

robot

canbe

used

in

other

detection

systems.

Thoughts:

As

for

why

the

receiver

do

not

have

the

transistor

amplifier

circuit,because

the

magnification

well,

amplifier,

but

with

gain

control

magnification

to

76dB,

the

center

frequency

is

38k

to

40k,

is

exactly

resonant

ultrasonic

sensors

frequency.5、方案選擇論證5.1方案比較方案一紅外線測距時鐘振蕩器顯示電路時鐘振蕩器顯示電路單片機紅外線接收電路障礙物紅外線發(fā)射電路紅外線測距系統(tǒng)基本框圖方案二超聲波測距超聲波接收電路超聲波接收電路超聲波發(fā)射電路單片機控制系統(tǒng)LED顯示電路障礙物超聲波測距系統(tǒng)基本框圖5.2、方案論證方案一紅外線測距

紅外線測距利用的是紅外線傳播時的不擴散原理，當(dāng)紅外線從測距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來被測距儀接收到，再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。紅外線信號在遇到障礙物其距離的不同則其反射的強度也不同，根據(jù)這個特點從而對障礙物的距離的遠(yuǎn)近進行測量的。方案二超聲波測距超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動頻率高于20kHz的機械波。超聲波測距的原理是根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理，以超聲波傳感器為檢測部件，應(yīng)用單片機技術(shù)和超聲波在空氣中的時間差來測量距離。超聲波測距儀在工作的時候就是將電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換，當(dāng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波