基于超声波的测距系统设计毕业设计.docx

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基于超声波的测距系统设计毕业设计

1前言

1.1课题设计目的及意义

随着科学技术越来越快的发展，超声波在测距系统中的应用将会越来越广泛。

但是对于目前的发展速度来说，人们可以利用的测距技术还十分有限。

因此，这是一个正在迅速发展而又有无限前景的技术及产业领域。

面向未来，超声波测距系统作为一种新型的测量工具在各领域都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求。

不用怀疑，无线的超声波测距系统将向自动化智能化靠拢，与其他的测距系统集成和融合，形成多类型测距仪。

随着测距系统的技术进步，测距系统将从具有单一的判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

在不久的将来，面貌一新的测距系统将对人类更加有益的方向发展。

1.1.1设计的目的

1.1.2设计的意义

随着科学技术的发展，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、自然灾害等许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往要比城市建设要落后许多。

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事件。

城市污水给人们的生活环境带来了困扰。

因此，涵洞的排污疏通对城市给排水系统的污水处理，人们生活的舒适程度显得非常重要。

而设计研制涵洞排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在涵洞中自由排污疏通，是涵洞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系统的研制。

因此，设计的超声波测距系统就显得非常重要了。

这就是我设计超声波测距系统的意义。

1.2超声波测距技术的国内外现状

超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用。

由于超声波信号具有高频特性，此技术早期仅仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对分析人员的专业要求较高。

因此，人为因素对测量的结果影响较大，并且波形也不容易被记录和保存，不适宜完成自动化检测。

八十年代后期，随着计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析能够得以实现。

目前国内也陆陆续续出现了各类数字化超声波测距设备，并已

1.2.1发展历史

成为超声波检测的发展方向。

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波测距系统的发展速度很快。

国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。

随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高，单数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声测距系统能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声测距系统研制呈现一派繁荣景象。

其中，煤炭科学研究院研制2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。

与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

随着电子技术的发展相继出现了微波雷达测距、激光测距以及超声波测距。

前2种方法由于技术难度和成本的限制，一般常用于军事工业，而超声波测距所需要的技术难度相对较低且成本低廉，可以适合于民用工业。

这项技术也频繁被用于工业测量领域。

基于超声波的指向性强、能量消耗较少、传播距离较远，所以超声波常常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波检测优点就是比较迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度也更容易达到工业实用的要求。

近年来此技术广泛应用于移动机器人的研制。

随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经日渐成熟，超声波测距技术也更加广泛的被运用到各行各业。

超声测距是一种非接触式的检测方式。

与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。

对于被测物处于黑暗、烟雾、有毒、有灰尘等恶劣的环境下完全不需要人工测量，保障了人身安全。

因此在机械手控制、液位测量、物体识别、车辆自动导航等方面有广泛应用。

特别是运用在空气测距当中，由于空气中超声波波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息就很轻易的被检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确率也比其它方法要高；而且超声波传感器具有体积小、结构简单、信号处理可靠等特点。

因此本设计也是利用超声波来测量距离。

1.2.2研究现状

1.3本课题研究的主要内容

超声波指的是频率高于20KHz的机械波。

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的器件就是超声波传感器，也就是习惯上叫的超声波

换能器或超声波探头。

超声波传感器分为发送器和接收器两种用途，一个超声波传感器就可以充当发送和接受的双重作用。

超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波信号并发射；而在收到回波的时候，则将超声信号转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法（timeofflight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

本次设计我利用了51单片机系统的I/O口，发出40MHZ的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入到单片机中，比较调试后计算其对应的距离，完成测距。

可实现的测距范围在0.1-4m内，盲区7cm的有效测距，测量精度是1cm，测量时与被测物体没有直接的接触，能够在液晶显示器上稳定的显示测量结果。

该测距系统测量精度高，使用方便。

可用于建筑工地以及一些工业现场的位置监控、汽车倒车雷达，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等。

2总体方案设计

2.1方案比较

2.1.1方案一雷达测距系统

LFMCW雷达的工作原理可以根据锯齿波调制为例来介绍，在理论上我们对其基于的“差拍-傅立叶”结构进行了的分析和仿真。

图2.1所示的是LFMCW雷达的基本组成结构。

LFMCW雷达测距系统主要包括射频前端子系统和信号处理及显控子系统两大部分，其工作过程为：

在FPGA中产生数字的锯齿波调制电压信号，经数模转换器转换成模拟的调制电压加载到压控振荡器（VCO）上控制其产生等幅连续调频信号，然后经功分器分成两路，一路至发射天线发射出去，另一路作为本振信号进入混频器与接收到的目标回波信号进行混频，通过低通滤波器获得含有距离信息的差频信号，经模数转换后进入FPGA进行处理，提取距离信息并显示。

图2.1LFMCW雷达的基本组成

激光测距属于非接触式的测量技术范畴，原理是利用激光器向目标发射单次激光脉冲激光脉冲串，通过测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间或相位，计算目标的距离。

激光测距的方法主要有以下几种：

三角测量法、脉冲法、反馈法测距、相位法、纵模拍频测距法、干涉法测距，从测量范围和技术成熟度方面考虑，相位法和脉冲法可以优先选择。

本设计采用的方法是相位式测距法，激光相位测距中，通过把连续的激光进行幅度调制，调制光的光强会做周期性变化，最后测定出调制光往返的相位变化就能求出距离

2.1.2方案二激光测距系统的设计

和时间。

相位式激光测距的原理图如图2.2所示。

图2.2相位式激光测距的原理图

近几年来，随着电子测量技术的不断发展，运用超声波技术精确测量距离已成为可能。

超声波是指频率在20kHz以上的声波，它是属于机械波的一类。

超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，例如在介质的分界面处发生反射和折射，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等现象。

正因为具有这样的性质，使得超声波可以去测量距离。

超声波测距的主要方法有脉冲回波法、频差法和共振法等。

其中脉冲回波法是最为常用的，它主要是对超声测距中回波信号的识别与处理，采用模拟方法，用电路来实现一系列信号传输。

发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在空气中传播至障碍物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，可得超声波在介质中的往返时间t，即可算出障碍物与超声波发射器的距离。

2.1.3方案三基于单片机的超声测距系统设计

S=vt/2（2-1）

设超声波发射器与接收器之间角度为θ，则如图2.3所示，被测物体实际距离

（2-2）

其中对于θ，有

将（2-1）、（2-2）、（2-3）三式整理合并得

（2-3）

（2-4）

当需要测量的距离H远远大于L时，近似认为H与S相等，可得

（2-5）

由式（2-5）可知，因此容易得出，只需要测量出超声波往返时间，就可以算出发射器到障碍物之间的距离。

按照系统设计的功能要求，初步确定设计的系统由单片机最小单元模块、超声波发射接收模块、显示模块共四个模块组成。

测距原理如图2.3所示。

在常温下，超声波的传播速度为340m/s，但其传播速度v易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。

一般温度每升高1℃，速增加约为0.6m/s。

由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。

为了得到较为精确的测量结果，必须对波速进行温度补偿。

图2.3超声波测距系统原理图

波速与温度之间的关系如表2.4所示。

表2.4波速与温度关系表

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

波速（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

由表2-1可得温度与波速得转换关系式：

（2-6）

式中T——现场温度；

v——实际波速，

从上式可以看出，要提高测量精度，就得能够准确的测得波速，而波速又受介质中温度影响最大，所以必须首先测量环境中温度T的大小。

环境温度的测量我们一般用DS18B20温度传感器测量读取。

方案一采用了线性调频连续波雷达（LFMCW），LFMCW雷达是通过对连续波进行频率调制而得到距离和速度信息的，采用LFMCW技术，可以在无接触情况下对被测物的距离及速度进行测量。

LFMCW雷达的主要优点是：

（1）无距离盲区；

（2）高距离分辨率；（3）信号能量大、时带积大；（4）结构简单、工作电压低。

同样LFMCW雷达测距也存在着缺点，主要体现在两个方面，一是作用距离受限，二是距离-速度耦合的问题。

方案二利用激光来实现测距的功能，激光测距技术与传统的测距技术比较具有测量精度高、准直性好、抗干扰能力强等一系列优点，广泛应用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域，无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要的作用。

激光测距技术是基于对光波在本机与目标间渡越时间的计量而感知目标距离的方法，属于“时基法”测距的范畴。

根据计量本机与目标渡越的时间方法的不同，可以把激光测距仪分成两种类型：

脉冲式激光测距仪和连续式激光测距仪。

方案三采用基于单片机的超声波测距系统，超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往调试困难、可靠性差、可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。

通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量精度高、电路小巧、可靠性好、反映速度快。

2.2方案论证

无线测距指用无线电测量载机与某个目标或反射面之间的信号传播延迟、频率、相位差来测定两点之间直线距离的方法。

目前，测量距离的方法主要采用测量波在介质中传播速度与时间的关系。

随着传感器和单片机控制技术的不断发展，无线检测技术已被广泛应用于多个领域。

目前，典型的无线测距方法有超声波测距、雷达测距、激光测距等。

激光测距具有高亮度、高单色性、高方向性、测量速度快等优势，尤其在雨雾天气下有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。

与前几种测距方式相比较，超声波测距可以直接测量近距离的目标，适用范围广、纵向分辨率高、方向性强，并且具备不受烟雾、光线、电磁干扰等因素的影响，且覆盖面较大等优点。

因此本设计的实现我采用了方案三。

2.3方案选择

3单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1单片机主机控制电路

电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

因此，51单片机最小系统的功能主要如下：

单片机能够运行用户程序、用户可以复位单片机、具有相对强大的外部扩展功能。

单片机最小系统主要是以51系列单片机作为核心，再附带一些使单片机能够运行的最小资源，主要包括电源、时钟电路、复位电路和扩展接口电路等部分，其结构如图3.1所示。

图3.1单片机最小系统原理框图

主机控制电路即为一个51系统单片机的最小系统，在此单片机选择了Atmel公司的AT89S52，主机控制电路如图3.2所示。

微控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。

而51系列单片机具有成本低，稳定性好，且运行速度基本能满足该系统的要求。

图3.2主控制器电路

单片机作为一种微控制器，在日常生活以及工业生产中的应用越来越广泛，而在基于单片机的应用系统设计，单片机本身正常运行所需要的资源基本上是固定不变的，而单片机的最小系统就是一个能够满足单片机本身运行要求的基本系统，因此，设计最小系统对于基于单片机的应用系统设计具有很大的意义。

引脚功能：

P0口接入LCD数据端显示数据，P20~P22送命令到LCD控制LCD的显示方式。

P2.7接入DS18B20温度数据采集端。

P1.0接测量按键。

（1）AT89S52系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机。

（2）AT89S52系列单片机内、内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写。

（3）AT89S52采用静态时钟方式，可以节省电能。

（4）AT89S52支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序。

（5）AT89S52晶振频率高达24M，运行速度更快。

（6）AT89S52价格也比较便宜6元/片。

（7）增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。

本次我们采用了Atmel公司的芯片AT89S52,该单片机主要特点如下：

3.1.2复位电路

单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲就可以实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如图3.3所示：

在系统上电的瞬间，复位端RST和电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。

只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即

ms。

一般取R

1

，C

22uF。

图3.3复位电路

当按钮S1被按下时，已经充满电的电容C1通过R1迅速放电，等到S1弹起后，电容C1再次充电，实现手动复位。

3.1.3时钟电路

当单片机工作于内部时钟模式的时候，，只需要在XTAL1引脚和XTLA2引脚连接一个晶体震荡器或者陶瓷振荡器，并联接两个电容后接地就可以实现。

如图3.4所示，使用时，对于电容的选择有一定的要求，一般选择30pF左右。

尤其注意的是在实际电路设计时，应该注意尽量保证外接的振荡器和电容靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚处，这样可以减小寄生电容的影响，使得振荡器能够稳定可靠

地为单片机CPU提供时钟信号。

图3.4时钟电路

3.1.4按键电路

我们将按键电路接入单片机P1.0口来启动测量，在程序设计中通过查询的方式检测按键是否被按下，在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。

电路原理如下：

按下按键后，P1.0显示为低电平，程序检测P1.0为低电平时开始执行距离测量程序，当松开按键后，P1.0为高电平。

图3.5按键电路

3.1.5蜂鸣器电路

通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管C9013的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。

本设计接一个蜂鸣器电路，目的是跟按键电路联系在一起。

按键按下时，就发出提示音，即开始了测距。

蜂鸣器是一块压电晶片，在其两端加上3-5V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声。

电路如图3.6所示。

通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管C9013的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。

图3.6蜂鸣器电路

3.1.6液晶显示电路

本设计采用LCD液晶显示屏显示。

其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。

它具有16个引脚，其正面左起为第一脚，如图3.7所示：

（1）第一脚GND：

接地。

（2）第二脚VCC：

+5V电源。

（3）第三脚VO：

对比度调整端。

使用时通过接一个1K的电阻来调节。

（4）第四脚RS:

寄存器选择信号线。

（5）第五脚RW:

读写信号线。

（6）第六脚EN：

使能端，当EN由高电平跳变为低电平时执行命令。

（7）第7-14脚：

8位数据线D0-D7。

（8）第十五脚BLA:

背光电源正极输入端。

（9）第十六脚BLK:

背光电源负极输入端。

1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母‘A’的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母‘A’。

1602通过D0-D7的8位数据端传输数据和指令。

（1）显示模式设置：

（初始化）

图3.7液晶显示电路

00110000[0x38]设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口；

（2）显示开关及光标设置：

（初始化）

00001DCBD显示（1有效）、C光标显示（1有效）、B光标闪烁（1有效）

000001NSN=1（读或写一个字符后地址指针加1&光标加1），

N=0（读或写一个字符后地址指针减1&光标减1），

S=1且N=1（当写一个字符后，整屏显示左移）

S=0当写一个字符后，整屏显示不移动

（3）数据指针设置：

数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码（0-27H，40-67H）

（4）其他设置：

01H（显示清屏，数据指针=0，所有显示=0）；02H（显示回车，数据指针=0）。

表3.8LCD1602操作指令

操作控制表

操作

读状态

写指令

读数据

写数据

输入

RS=0，RW=1，E=1

RS=0，RW=0，

D0-D7=指令码，E=H脉冲

RS=1，RW=1，E=1

RS=1，RW=0，

　　D0-D7=数据，E=H脉冲

物理学告诉我们，超声波在空气中的传播速度为：

C=331.4+0.61*T，由此可见，超声波的速度和温度密切关系，即温度每增加1°C，超声波速度约增加0.61m/s，本次我们考虑温度补偿，以使我们的设计更加精确，温度的采集通常使用DS18B20一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路图如图3.9所示。

DS18B20是美国DALLS公司推出的DS1820的替代产品，具有9、10、11、12位的转换精度，未编程时默认的精度是12位，测量精度一般为0.5°C，软件处理后可以达到0.1°C，温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625°C/LSB形式表达。

其中高五位为扩展符号位。

转换周期与转换精度有关，9位转换精度时，最大转换时间为93.7ms，12位转换精度时，最大转换时间为750ms。

DS18B20引脚判断方法是：

字面朝人，从左到右依次是1（GND）、2（输入/输出）、3（VDD）。

图中的R9为上拉电阻，阻值选5K左右。

3.1.7温度采集DS18B20电路

图3.9DS18B20温度传感器

超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。

超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，超声波发射电路如图3.10所示。

3.1.8超声波发射电路设计

图3.10超声波发射电路

工作过程中，单片机产生40kHz的脉冲通过P2.5口向超声波发射电路发出信号，接入由74LS04构成的放大电路放大信号，驱动超声波探头将超声波发射出去。

3.1.9超声波接收电路设计

由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的

CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。

CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。

CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。

CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。

超声波接收电路如图3.11所示。

倍数也要比较大。

超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的。

图3.11超声波接收电路

3.1.10HR-SR04超声波集成模块

HR-SR04超声波集成模块是将超声波发射探头，超声波接收探头，CX20106A芯片电路，74LS04芯片放大电路集成到的一起的一个超声波集成模块。

基本工作原理：

（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；

（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（高电平时间*声速）/2。

HR-SR04超声波集成模块正反面外观如图3.12所示。

HR-SR04型超声波集成模块的工作电压为5V，而且此模块的静态工作电流是小于2mA的，工作时候可以比较稳定。

而且，它的感应的角度不大于15°，可以减少了很大部分可能存在的角度干扰问题。

此模块的测距范围为2cm～5m，能基本满足测距要求，而且其精度可以达到0.3cm，盲区仅仅为2cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，而且测距也比较稳定。

HR-SR04超声波集成模块采用的是I/O触发测距，给至少10us的高电平信号。

另外，此模块可以自动发送8个40kHz的方波脉冲，并能够自动检测是否有信号返回，如果检测到有信号返回则通过I/O口输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回所用的时间，则，所测量的距离=（高电平时间×声速）/2。

一个控制口发出一个10us以上的