毕业设计基于单片机的高精度超声波测距系统的设计.docx

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毕业设计基于单片机的高精度超声波测距系统的设计

设计总说明

目前,超声波测距技术已经广泛的应用于各领域,由于其具有非接触式测量的特点,在工业领域液位、井深、管道长度以及建筑物测量、倒车雷达、智能机器人的控制系统中都发挥了重要的作用。

但以我们当前的技术水平来说，对超声波测距技术的应用是有限的，未来的发展方向应该是朝着高精度、低盲区、拓展功能更丰富以及成本价格更低的方向发展。

和普通超声波测距系统不同,高精度超声波测距系统要求的盲区更小、精度更高。

为了达到该标准，设计系统需包含温度补偿电路，双比较器整形电路和时间增益补偿电路等信号调理电路。

最后，还需加入一些必须的外围电路如显示电路，用于显示测量结果，还必须含有通讯接口，方便与上位机进行通讯且可将测量结果进行上传。

另外，该系统进行软件化峰值检测，使电路更加简化，充分利用了软件资源。

通过对系统的需求分析，硬件电路的设计方案最终得以确定，主要由AT89C52单片机作为主控芯片。

为了达到高精度的要求，首先我们需要了解造成测量精度不高的原因，首先，声波在空气中的传递速度会随着温度而发生有规律的变化。

用平均速度计算出的距离和实际距离可能会有一定的误差。

其次，由于超声波属于波的一种，因此具有波的衍射特性。

这会使得超声波没有经过反射，即不是由于碰到物体而返回的波，而是直接收到发射端由于衍射现象而改变了传播方向的那部分超声波。

这就是会导致一个测量盲区，在测量近距离时产生错误读取而造成测量失败。

因此，只要加入温度补偿电路，由一个温度传感器先测量环境温度，以实际温度带入计算，就能有效避免第一类误差的产生；

其次，加入双比较器整形电路，就能有效避免第二类误差的产生。

本系统由AT89C52单片机控制时间长短的计数以及控制超声波信号的发射、接收。

整个电路采用模块化设计思想，主要包含显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路等。

显示电路主要采用LED数码管组成，采用动态显示的方式。

即所有数码管的段选线并联在一起，通过控制位选信号来控制数码管的点亮。

用于超声波信号发射的发射电路，主要由非门和超声波探头组成。

还有用于超声波接收的接收电路，对回波进行滤波放大，整形，最后送入单片机。

其他电路还包括用于测量环境温度的测温电路，主要由一个集成芯片直接读取环境温度，送入单片机中，再通过查询事先做好的温度表，通过这个表即可得到当前测量环境中的实际声速，代入公式计算距离。

程序设计主要包括：

主要程序、温度补偿程序、发射子程序、接收子程序等组成。

主要程序在系统启动时会进行初始化，接着马上开始测量温度，获取温度值并进行查表后同时启动发射电路且开始计时，等待回波信号，并进行处理，软件滤波开始工作，对峰值点进行查找并计算出距离。

测温子程序主要是根据温度与速度表进行查表的方式来获取当前声速，代入公式进行计算。

具体实现的流程包括复位程序、发送匹配ROM命令、温度转换命令等。

测量距离子程序的实现即是时间的测量，这也是该系统的核心部分。

对定时器初始化处理后，计时便开始。

综上，超声波探头的信号经过AT89C52单片机的分析和一系列处理，最后实现本高精度超声波测距系统的完整功能，也验证了该系统的设计满足实际需求，该课题的研究也具有一定价值。

值得注意的是，为了降低该系统的测量的盲区，采用了双比较器整形电路来处理不同的距离的信号（分为3cm-50cm的近距离部分和50cm-400cm的远距离部分），使得精度进一步提高。

本系统的设计精度较高，可以用于汽车的倒车雷达，也可以用于智能机器人的距离识别系统或者其他距离3cm-500cm之内，精度1cm的系统。

关键词：

单片机；高精度；超声波；测距

Introduction

Atpresent,ultrasonicrangingtechnologyhasbeenwidelyappliedinvariousfields,becauseofitsnon-contactmeasurement,inindustrialfieldlevel,welldepth,pipelinelengthandthemeasurementofbuildings,reversingradar,intelligentrobotcontrolsystemplayanimportantrole.Butinourcurrentleveloftechnology,theapplicationofultrasonicrangingtechnologyislimited,thefuturedirectionofdevelopmentshouldbetowardshighprecision,lowarea,developthefunctionmoreabundantandlowercostpricedirection.

Andordinaryultrasonicrangingsystemisdifferent,high-precisionultrasonicrangingsystemrequirementsoftheblindareaissmaller,higheraccuracy.Inordertoachievethestandard,thedesignsystemcontainsthetemperaturecompensationcircuit,theDualComparatorplasticcircuitandthetimegaincompensationcircuitandothersignalconditioningcircuits.Finally,itisnecessarytoaddsomenecessaryperipheralcircuitssuchasdisplaycircuit,usedtodisplaythemeasurementresultsmustalsocontaincommunicationinterface,convenientandPCcommunicationandcanbeusedtouploadthemeasurementresults.Inaddition,thesystemofthepeakdetectionsoftware,makethecircuitmoresimplified,fullyutilizethesoftwareresources.

Throughtheanalysisofthesystemneeds,thehardwarecircuitdesignschemeisfinallydetermined,andthemaincontrolchipisthemainchipofAT89C52.

Inordertoachievethehighaccuracy,weneedtounderstandthecauseofthelowaccuracyofthemeasurement.Firstly,thetransmissionspeedoftheacousticwaveintheairwillchangewiththetemperature.Thedistanceandtheactualdistancecalculatedbytheaveragevelocitymayhavesomeerror.

Thesecondisbecausetheultrasonicbelongstoonekindofwave,sothediffractioncharacteristicofwaveisofthewave.Thiswillmaketheultrasonicwavenotreflected,thatisnotduetothewaveoftheobjectreturned,butdirectlyreceivedtheemitterduetodiffractionphenomenonandchangedthedirectionofthetransmissionofthatpartoftheultrasonic.Thisistheresultofablindmeasurementoftheblind,inthemeasurementoftheerrorcausedbytheerrorreadwhilethemeasurementfailed.Therefore,aslongasaddingtemperaturecompensationcircuit,byatemperaturesensortomeasuretemperature,theactualtemperatureintothecalculation,caneffectivelyavoidtheerrorofthefirstkind;

Secondly,addingdualcomparatorcircuit,caneffectivelyavoidthesecondtypeoferror.ThesystemiscontrolledbytheAT89C52microcontrollercountaswellasthetransmitterandreceiverofultrasonicwave.Thewholecircuitusestheideaofmodulardesign,includingthedisplaycircuit,ultrasoniccircuit,ultrasonicreceivingcircuit,temperaturecompensationcircuit,etc..ThedisplaycircuitismainlycomposedofLEDdigitaltube,andthedynamicdisplayisadopted.Thatis,allthedigitalcontrolofthesectionofthelineinparallel,throughthecontroloftheselectedsignaltocontrolthelightofthedigitaltube.Secondly,transmitcircuitforultrasonicsignalwhichistransmittedbythemaingate,andtheultrasonicprobe.Therearealsousedforultrasonicreceivingcircuit,theechofilteringamplification,shaping,andfinallyintothemicrocontroller.Othercircuitalsoincludesatemperaturemeasurementcircuitformeasuringthetemperatureoftheenvironment,mainlybyachipdirectlyreadenvironmentaltemperature,intothemicrocontroller,thenthroughquerywellinadvanceofthethermometer,currentmeasurementenvironmentintheactualsoundvelocitythroughthistablecanbe,substitutedintotheformulaforcalculatingthedistance.

Theprogramdesignmainlyincludes:

themainprogram,thetemperaturecompensationprocedure,thelaunchsubroutine,thereceivingsubroutineandsoon.

Mainprogramatsystemboottimewillbeinitialized,thenimmediatelybegantotemperaturemeasurement,toobtainthetemperaturevalueandlook-uptableandstarttransmittingcircuitandthebeginningoftime,waitingfortheechosignal,andprocessingandfilteringsoftwarebegantoworkthepeaksearchandcalculatethedistance.Temperaturemeasurementchildprogramismainlyaccordingtothetemperatureandspeedtablelook-uptabletoobtainthecurrentvelocityandsubstitutedintotheformulawerecalculated.Theprocessoftherealizationincludestheresetprocedure,thesendingmatchedROMcommands,thetemperatureconversioncommand,etc.Therealizationofthemeasurementdistancesubroutineisthemeasurementoftime,whichisthecoreofthesystem.Afterthetimerinitialization,thetimewillstart.Insummary,ultrasonicprobesignalthroughAT89C52analysisandaseriesofprocessingandfinallyrealizethefullfunctionalityofthehighprecisionultrasonicrangingsystem,alsoshowsthatthedesignofthesystemtomeettheactualdemand,thistopicresearchhasacertainvalue.Worthyofnoteisthatinordertoreducetheblindspotofthemeasurementofthesystem,thedualcomparatorcircuittodealwithdifferentdistancesignal（remotepartof3cm-50cmclosepartand50cm-400cm）,makingprecisionfurtherimproved.

Thesystemhashigherdesignprecision,canbeusedinthereverseradarofthecar,andcanalsobeusedintheintelligentrobotdistanceidentificationsystemorotherdistance3cm-500cm,theprecision1cmsystem.

Keywords:

singlechipmicrocomputer,highaccuracy,ultrasonic,rangin

１　绪论

超声波测距系统作为一种经典的非接触式测量技术，包含了电子，材料，物理等学科的知识理论，其应用领域也十分的广泛。

超声波作为声波的一种，有着和声波同样的性质：

它的产生来源于振动，另外，在不同物体中的传的速度也是不一样的。

超声波测距传感器在粉尘多，光线暗或有其他电磁干扰的情况下，性能几乎不受影响，所以，现代社会中，许多地方都可以用到。

例如：

建筑施工测量，智能机器人，汽车倒车雷达，油箱液位测量等。

1．1　系统设计背景

在过去许多科学家的研究基础之上，我们已经知道用许多种不同的方法来测距，不再局限于传统的简单的接触式测量器具，我们今天的电子技术正以飞一般的速度向前推动着大量非接触式测距仪的发展。

近几十年以来，关于非接触式测量系统的研究包含以下几类：

激光，微波，红外线及超声波。

这其中，激光的测量精度较高，但其有个很大的缺点，就是极易受到周围环境的影响，而且激光测距系统后期的检测和维护成本较高，所以会产生较高的费用，很难推广到日常生活和工作中去，一般用于高端专业领域，如军事类。

而对于微波雷达测距来说，电路部分的制作成本就非常之高，也只用于专业领域，如军事和工业类。

红外线测距虽然造价便宜，但其不能达到高精度，且方向性不好。

另外，红外线传播速度为3×108米/秒，速度之快，相较于超声波在普通情况下的速度来说，红外线是超声波的八十多万倍。

因此，利用超声波测距能大大增加时间（同样的距离下），使得测量更容易，误差更小。

超声波测距系统的优势在于：

（1）可以用于空气中，液面下和固体内等传播介质中测量，应用灵活；

（2）不易受光影响，在黑暗及烟雾环境下都可使用，不易受电磁场影响，使人可以远离这些恶劣工作环境；

（3）制作起来不复杂，该成品预计价格不贵，而且体积不大，还非常容易集成；

由于超声波测距系统具有以上这些特点而被广泛的应用。

随着现代电子技术的发展，超声波测距技术在汽车制作，国防安全，工业制造及日常生活中都随处可见。

目前的系统主要采用单片机微核心，结合温度补偿电路等模块组成，由于计时的精确度和电路的影响，现有超声波的测量区间大致在0.2米到20米之内，误差为毫米级，存在几十厘米的盲区。

综上，超声波测距系统应用广泛，为了满足未来技术参数的精度需求，我们需要在高精度方向做出深入研究，解决这个技术难题以面对更加高的市场需求,因此这项技术的研究将有重大的意义。

1．2　国内外研究现状

首先，从国外来看，最先的研究记录是18世纪70年代的科学家高尔顿所做的气哨实验，这是我们人们有史以来的第一次通过实验产生的高频声波，后来的30年内，超声波的概念仍旧很少有人知道，再加上那时的技术方面的达不到要求，对超声波的研究产生了难以逾越的鸿沟。

直到第一次世界大战爆发，期间关于超声波的研究渐渐地被人们所看重。

一个叫做朗之万的德国科学家用了晶体传感器对超声波进行发射和接收，这项研究是在水下进行的，且只能接频率相对较低的超声波。

这项研究可以用来进行水下通讯，另外，也可用于检测水下物体，如水下潜艇，用于军事领域。

而后，超声波的应用领域的研究也在逐渐扩大，到了1928年，Sokolve首先提出了关于超声波探伤的研究，即利用超声波的特性来检查金属器件是否存在裂痕或者缺损。

又过了两年，另外一个科学家穆尔豪瑟获取了一个德国专利，这个专利是针对超声波检查方法的，这让我们又看到超声波的研究进了一步。

1935年，Sokolve发表了一篇论文，详细的介绍了他的研究结果。

就是在液体的实验槽里进行穿透测试，并记录了穿过实验物的超声能量。

因为在液体之中实验会很容易得观察到波纹。

德国的贝格曼在他的书《超声波》中，比较完整的介绍了大量的超声波的资料。

这是早期的比较系统的资料之一，一直被奉为经典。

关于探伤仪的研究，最早出现于Firsetone和Sprole的论文中。

这是超声波的应用最广的一面。

根据此研究基础，衍生出大量超声波仪器，目前，超声波在无损检测中发挥出无与伦比的作用。

从国内来看，目前超声波在测试方面的研究成果比较多。

如国内的测试研究所就在超声波测距方向做出了较为系统的研究并发表了诸多相关论著。

这些论著详细的说明了超声波测距的原理。

还留下诸多相关实验的数据结论，如，超声波的传播速度（即声速）的影响因素有哪些，波的特性在传播过程中对测距系统的影响分析。

详细可见于国家测试研究所《超声波原理及实践技术》，作者李冒山。

厦大的同峰教授提出了一种针对高精度测距的改进方法。

根据他的结论，测距之所以有误差，是由于对回波的脉冲检验方式有问题。

他根据实验，验证了回波的包络方程，给出了软硬件的设计方案。

在智能机器人研究领域，超声波测距也有不可缺少的作用。

一个高精度的超声波测距系统不仅能准确的引导机器人的行动，而且还能迅速的反馈周围的环境状况，为机器人完成各种复杂工作提供必要的辅助。

我国的超声波测距技术已经趋于成熟，但与发达国家相比，在精度方面还是差一大截，我们想要进入现代化的建设中去，就要提高速度和效率，而这些都是建立在高科技水平，高质量的仪器之上的，所以我们还需加强研究，使得精度达到未来的需求，从而为工业的发展做出贡献。

通过长时间的研究和发展，超声波测距不仅仅是单一的技术了。

而且不断加入各个其他的领域的知识，结合了人类智慧的结晶。

渐渐形成一个深入、实用、值得探讨的专业的研究方向。

通过查询相关资料了解到，我们国家使用的大多数高精度测距系统均来源于进口，这在很大程度上对我国的经济和现代化的发展产生巨大的阻力，因此，我们需要增加在超声波测距系统的研究经费，使我国的测距装置不仅能满足自己本国的需要，还能出口到国外。

２　超声波测距原理和方案

２.１　超声波测距的基本理论

２.１.１　超声波简介

所谓超声波，跟普通声波的区别是频率范围不同。

物理学上将它规定为频率在20000赫兹以上的波。

它具有很好的方向性，并且有着非同一般的穿透力。

属于比较容易获取的声能中的一种。

超声波的使用范围也是很广的，比如：

测量，测量又分为速度的测量和距离的测量；各种需要杀灭细菌的环境；超声波的能量还可用于破碎物体，用于分割等。

因此不难看出，超声波的应用领域不受限制，即可用于军事也可用于日常生活，对工农业和医疗业也有着巨大作用。

说道超声波的命名来源，顾名思义，超过声音的波，人类的听力是无法接收如此高频率的波的。

虽然如此，但其本质还是声波，因此能满足声波的各种特性，也就是说，声波的规律对于超声波也完全适用。

声波是一种传递了物体运动的能量，比如，桌子被拍打，桌面就会产生上下运动，从而传播声音。

声波的特性很多，首先，声音在同一环境下的传播速度是一个定值。

其次，遇到障碍后一部分声波会被反弹回来。

第三，声波传出去以后，距离越大，衰减也就越大。

最后，也是最重要的一点，超声波传播的方向是直的，这就使得超声波用于测距有了一个很好的基础条件。

２.１.２　超声波与传播介质的关系

当超声波在通过几种不同的媒介时,在这两