设计开题报告.docx

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设计开题报告

CHANGCHUNINSTITUTEOFTECHNOLOGY

开题报告

设计题目：

超声波测距系统设计

学生姓名：

张学超

学院名称：

电气与信息工程学院

专业名称：

电子信息工程

班级名称：

电子1041

学号：

1004451112

指导教师：

倪红霞

教师职称:

副教授

学历：

本科

2014年4月20日

一、选题依据

1.设计目的及意义

（1）设计目的

随着社会的发展，人们对距离或长度的测量要求越来越高。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。

超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。

超声波测量技术利用回波测距原理，技术发展已经成熟，应用也积累了很多经验。

对我而言，通过对简易的超声波测距仪的设计，需要学习使用单片机的控制功能和用超声波传感器实现测量距离，并且掌握使用Proteus99、AltiumDesigner进行电路设计和制图的方法步骤，能将设计出的电路原理图下载到PCB板进行仿真，最终制作出实物。

理解超声波传感器的超声波发生机制及发射、接受，放大装置和以单片机AT89C51为中心控制单元，实现超声波发射及其遇到障碍物发生反射形成回波信号，并根据超声波在介质中的传播速度及超声波从发射到接收到回波的时间，计算出发射点距障碍物的距离，以完成设计目标，熟悉51单片机软件编程及调试环境KeilC51软件。

总体而言该毕业设计课题涉及了部分大学专业课程的的主要专业知识，对我的专业技能进行了一次考验。

（2）意义

超声波在测距方面具有以下突出的优点：

1、环境介质可为空气、液体或固体等，适用范围广泛；

2、对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶

劣环境中，可以降低劳动强度；

3、超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化；

由于超声波具有以上特点被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。

在超声波探伤、自动泊车系统和倒车雷达系统中，超声波测距有其重要的应用。

随着雷达技术、激光技术、电子技术的发展，超声波技术也得到和不断的更新和发展，超声波技术己经从最初的理论研究发展到大范围地应用在无损探伤、测温、测距、流量测量、液体成分测量、岩体检测等方面。

在这期间，超声波技术不断得到完善并趋于成熟，与发达国家相比，目前我国所研制出的超声波测距系统在性能方面有了很大的改善，但在精度等方面仍然很落后。

高速度和高效率是现代化工业的标志，这些都是建立在高质量的基础之上，精度作为高质量的一个重要指标，需要加大力度对其进行研究。

另外，我国正在使用的高精度超声测距系统大多从国外进口，很大程度制约了工业的发展，增加了工业生产线投资成本，由于工业发展以及经济成本的制约，在超声波测距系统的研制和使用方面我国迫切的需要加大国产化的力度。

因此，为了使我国的工业化生产与装配立足国内、走向世界，对超声波测距系统精度和实时性问题进行研究具有很高的实际意义。

2.设计拟解决的工程实际问题

接触式液位测量存在易渗漏、易腐蚀、不便于检修和维护等问题，利用超声波测距可以实现液位的非接触式测量，解决上述问题。

与其他测位方法相比，超声波液位测量具有结构简单、非接触、安装和维护方便、性能稳定可靠等优势。

移动机器人需要装备多种传感器来获取环境信息以确定自身的位置（定位）和绕开障碍物（避障），其中比较常用的传感系统是视觉系统和超声波测距系统。

超声波传感器已经被广泛用作测距传感器，并应用于机器人的定位和避障。

随着汽车拥有量的增长，汽车的安全和使用便捷性能受到了空前的关注。

由于存在视觉盲区，人们在倒车时无法看清楚车子后面的障碍物，很容易刮伤汽车或发生事故。

通过在车身前后安装超声测距传感器可以有效测量车身距障碍物间距离，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。

大多数曲面外形尺寸很难通过传统测量方式获得，而超声波测距可以通过采用多传感器多角度测距，确定其外形特征，以实现对曲面的检测。

着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。

但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。

因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。

城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。

而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。

控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。

因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。

4.设计拟应用的文献综述

在文献[1]介绍了传感器的定义、分类及作用，阐述了传感器技术在现代生活与科学技术中的重要作用，对传感器技术的发展趋势进行了分析与探讨。

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。

传感器一般被认为由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。

传感器可以直接接触被测对象，也可以不接触。

通常对传感器设定了许多技术要求，有一些是对所有类型传感器都适用的，也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。

针对传感器的工作原理和结构在不同场合均需要的基本要求是：

高灵敏度、抗干扰的稳定性、容易调节、高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长、高响应速率等。

在文献[2]中介绍了根据超声波测距系统的设计即根据声波在空气中传播反射原理,以超声波换能器为接口部件,应用单片机技术对超声波在空气中的传播时间进行测量,设计了超声波检测系统。

详细介绍系统硬件组成、检测原理、方法以及系统软件结构。

在文献[7]中介绍了结合超声波测距原理，对超声波回波信号处理、新型换能器研发、发射脉冲选取的国内研究现状，以及该技术在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞、曲面仿形检测的应用现状作了综述，分析了超声波测距系统现阶段存在的常见问题，相应提出了解决方案，并对超声波测距的发展与应用趋势进行了展望。

在文献[9]中介绍了一种基于FPGA的超声波测距系统，通过分析传统单片机内

部指令运行时存在较大延时误差从而导致其精度无法满足精密测量要求这一缺

陷,设计了基于FPGA的超声波测距硬件系统,并结合软件设计利用FPGA的超

高运行速度对全局时钟信号进行了分频处理,实现了对超声波驱动信号的中心频

率精确控制;且采用频率计数的方式对超声波传播渡越时间实现了精确测量,提

高了系统测距精度。

5.设计相关技术的国内外现状

随着超声波技术研究的不断深入,再加上其具有的高精度,无损,非接触等优点,超声波的应用变得越来越普及,根据超声波原理制成的测量仪器也越来越多,国外超声波测距仪的研制处于领先水平。

近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。

二、设计方案及技术路线

（一）设计方案

设计方案一：

单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号多次放大，放大后的信号经过整形、比较、触发后启动单片机中断程序，测得时间为T，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。

图1.方案一的框图

本系统由单片机系统，显示电路，温度补偿电路和发送和接收超声波电路组成

选用AT89C51单片机作为系统的控制核心,单片机选用40kHz的低速晶振,由它的输出时钟来控制超声波发射探头,从而能产生频率为40kHz的超声波"单片机的定时/计数器被定义为4OkHz晶振频率计数器,因此,时间测量精度为25哪,这对于超声波测距系统的精度要求来说足够了。

设计方案二：

基于FPGA的超声波测距硬件系统,并结合软件设计利用FPGA的超高运行速度对全局时钟信号进行了分频处理,实现了对超声波驱动信号的中心频率精确控制;且采用频率计数的方式对超声波传播渡越时间实现了精确测量,提高了系统测距精度。

图2.方案二的框图

设计过程中FPGA能通过JTAG下载线直接将程序烧写进片外Flash中实现在线编程调试,为设计带来很大便利"因此后文主要讲述针对FPGA的超声波发射模块!

超声波接收模块以及显示模块的硬件设计与调试过程。

FPGA通过精确控制时钟产生超声波驱动信号并开始计数,驱动信号经超声波发射模块放大后驱动超声波换能器发射出检测声波,经被测物反射后的回波信号由超声波接收模块滤波放大后由FPGA检测回波信号,经计算后显示输出。

方案一中，可采用汇编语言编程,灵活多变,可以方便的实现复杂的指令控制，由于使用了温度补偿系统，对于实验结果的精确度是有帮助的，在实现过程中方案一易于实现，方案二采用硬件语言编程,没有指令控制系统,控制能力较弱。

超声波测距系统的核心部分是超声波的收发控制端和信号处理部分,正是出于这种考虑，于是采用单片机做为主控芯片负责产生超声波驱动信号并对回波进行数据处理,控制实现输出。

（二）技术路线

1．进行企业现场调研，收集数据，查阅收集与毕业设计有关的国内外文献资料。

2．进行总体设计方案的论证及分析，确定无线遥控视频小车整体的设计方案、参数和技术实现措施。

3.查阅相关资料，详细的了解整个设计中要用到的元器件的各方面的信息，并做相应的整理。

4.分步进行各个硬件电路的设计，并仔细的检查设计是否存在问题。

5.进行整体的硬件电路的设计，将已经设计好的各个部分的硬件电路进行组合，并检查整体的设计路线，做细节的调整。

6.分步进行各个软件的设计，同时针对各个软件结合硬件电路进行单独的仿真调试。

7.进行整体的软件设计，将各个部分进行连接，同时检查整体的设计的逻辑思想。

8.将软硬件结合，进行联合的整体的调试与仿真。

9.完善整个设计，并撰写毕业论文。

三、可能存在的问题及解决措施

1.可能存在的问题

由于考虑到温度会影响测量结果精度，所以本设计加上了温度补偿电路，但是在温度补偿电路的传感器的选择上可能会遇到问题。

2.解决措施

通过查找资料，决定采用DS18B20温度传感器和单片机这种高精度的温度测量系统。

它可以提高测量的精度有程度上。

DS18B20的端口DQ可以直接接于单片机的端口p3.7。

该电路图3所示

图3温度补偿电路

四、设计成果

完成毕业设计任务后，拟提交如下设计成果：

1超声波测距系统设计开题报告一份；

2.与毕业设计内容有关的外文翻译资料（中英文）一份；

超声波测距系统毕业设计（论文）一份；

4超声波测距系统电路原理图（protel格式）一张；

5.超声波测距系统源程序代码。

五、进度计划

时间安排

完成主要内容

2.24至3.16

收集、查阅毕业设计文献资料、现场调研（或实习、试验）、确定毕业设计题目及设计内容的可行性，初步拟定设计方案，为撰写开题报告奠定基础。

3.17至3.30

对收集的有关课题的国内外文献资料进行主动阅读、研究，分析毕业设计任务和技术要求，确定研究设计思路和设计方案，指导教师组织开题答辩，撰写开题报告。

3.31至4.13

经指导教师审定，进行外文资料翻译工作，同时进行超声波测距系统方案论证比较，与指导教师共同研究确定设计方案、技术实现的可行性以及存在问题的解决措施和办法。

4.14至4.27

撰写毕业设计开题报告，指导教师审核开题报告后，根据修改意见进一步修改开题报告，修改完善外文翻译。

4.28至5.11

绘制超声波测距系统电路原理图，完善电路功能和结构设计，进行电路元器件选择、参数计算。

5.12至5.25

主要进行超声波测距系统软件结构和流程图设计，完成超声波测距系统软件设计、程序调试及仿真。

5.26至6.17

整理资料，撰写超声波测距系统毕业设计论文，细化毕业设计内容，指导教师审阅毕业论文，修改后准备毕业答辩，提交超声波测距系统毕业设计（论文）成果。

六、参考资料

[1]李建壮,杨彦涛.传感器技术的应用与发展趋势展望[J].中国科技信息,2011.09

[2]瞿金辉,周蓉生.超声波测距系统的设计[J].中国仪器仪表,2007.07

[3]袁佑新,吴妍,刘苏敏等.可视汽车倒车雷达预警系统设计[J].微计算机信息,2006.10

[4]宋永东,周美丽,白宗文等.高精度超声波测距系统设计[J],现代电子技术,2008.3

[5]吴斌方,刘民.超声波测距传感器的研究[J].湖北工学院学报,2004.6

[6]路锦正,王建勤,杨绍国,赵珂,赵太飞.超声波测距仪的设计[J].传感器技术,2002

[7]李戈,孟祥杰等.国内超声波测距研究应用现状[J].测绘科学，2011.07

[8]赵海鸣,卜英勇，王纪婵.一种高精度超声波测距系统的研制[J].矿业研究与开发，2006.06

[9]吴超.基于FPGA的超声波测距系统[D].武汉理工大学，2009.05

[10]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2006.5

[11]华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：

高等教育出版社2006.5

[12]ZhangPing,GuoHui.High-precisionUltrasonicRangingSystem[J].ProceedingsofIEEE201110thInternationalConferenceonElectronicMeasurement&Instruments,2011,08.