便携式超声波测距系统设计.docx

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便携式超声波测距系统设计

本科生毕业论文（设计）

调研报告

题目：

便携式超声波测距系统设计

学生姓名：

石扬_________

学号：

_______

专业班级：

自动化12102班______

指导教师：

周志刚_________

完成时间：

2015年12月10日______

便携式超声波测距系统设计

1、主要目标任务

根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离，设计出一个便携式超声波测距系统。

2、技术指标

系统测量范围：

0-3m，测量误差：

1cm。

要求设计系统的硬件电路和软件程序，并进行调试或系统仿真。

3、简要设计原理

该系统是一种基于STC89C52单片机的超声波测距系统，它根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。

该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。

通过单片机的I/O口控制超声波发射电路发出40KHz的超声波，反射波经由超声波检测接收电路、放大电路送入单片机外部中断端，由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出超声波发生器到障碍物的实际距离,完成测距并在数码显示电路中显示。

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可靠性差，调试困难，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。

根据设计要求并综合各方面因素，决定采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成因为不同的超声波发生器产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，本设计要进行近距离测量，所以选用利用电气方式产生超声波的超声波发生器—压电式超声波换能器。

4、课题文献综述

近年来随着超声波技术研究的不断深入已广泛应用于各种工业领域，如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面。

此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。

目前在国内超声波测距仪的发展主要采用引进加仿制等手段，一般测量精度高，回波稳定。

但是我国在该领域的发展相对国外还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。

国内外的学者在提高超声波测距方面做了大量的研究，影响超声波测距精度的因素包括所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度，其中传输时间的精度影响较大。

许多人提出采用降低传输时间的不确定度来提高测量精度，目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或者二者的结合是主要的降低传输时间不确定度的方法。

厦门大学的童峰提出了一种回波轮廓分析法，该方法在测距中通过两次探测求取回波轮廓包络曲线来求得回波的起点，通过这种方法使测量精度有了很大的提高。

意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，发射特殊的波形来获得好的回波包络，设置一定的回波开启电平，并采用自动增益的控制放大器。

也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。

1、《超声波测距系统的设计》

1）作者：

瞿金辉周蓉生

2）摘要：

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。

3）总结：

实验表明，本系统测量范围较大（最大限定15m），测量误差小，且所用元件都是常规部件，因而本系统具有较强的实用价值。

要满足更高的精度要求,还须进行适当改进，例如，可增加温度补偿单元；可以进一步改进接收电路，提高接收电路的反应速度；对于发射电路，可以直接采用硬件电路发生脉冲等。

随着社会经济的快速发展，对于物理量的非接触性测量将会有更大的需求，超声波测距技术将会有更大的发展。

2、《超声波测距系统的设计》

1）作者：

王维斌

2）摘要：

介绍了一种以AT89552单片机为核心控制器件的超声波测距系统的设计方法。

系统通过测得超声波自发射到接收的往返时间,根据超声波在空气中的传播速度,计算得到测量距离。

同时,为了提高超声波测距精度,采用温度传感器进行环境温度检测,对超声波的传播速度进行校正。

由于超声波具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰,测量精度高等优点,因此,系统可以用于工业测距,距离开关,汽车安全,智能机器人等领域。

3）总结：

本系统由于发射功率和超声波发射探头的原因,测量距离在10mc到500cm之间,在近距离测量和远距离测量时存在误差较大,在50cm和200mc之间测量时精度最好,误差不大于Icm。

在本设计中由于超声波发射周期为10个25us的方波,因此发射时间为=T250uS,已知常温下声速C为340m/S,可知S=CT/2=250u/2=8.5cm,因此确认测距盲区为9cm。

即当测量距离小于9mc时不能正确测量。

3、《国内超声波测距研究应用现状》

1）作者：

李戈，孟祥杰，王晓华，王重秋

2）摘要：

本文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。

3）总结：

超声波测距作为非接触式检测技术的典型方法之一，以其价格低廉、信号处理可靠、不受电磁、天气影响等优势，必将拥有广阔的市场前景!

综合分析国内超声波研究现状，本文对超声波测距研究趋势做以下几点展望:

目前，超声波换能器多采用压电陶瓷材料和磁致伸缩材料来制造。

这两种材料制造的换能器存在一定的阻抗失配问题，即在驱动脉冲结束后，由于惯性会继续振动产生盲区，进而影响系统的测量精度。

因此，超声换能器制造材料的改进是超声波测距技术发展的一个重要方向。

随着回波信号处理方法的逐渐完善，选择更合理的超声波发射脉冲、研发更高性能的超声波换能器，来提高超声波测距系统的有效作用距离、分辨力、测量精度和抗干扰性等性能，是超声波测距理论的又一个重要研究方向。

此外，基于超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等多种非接触式检测技术均具有各自优点。

本文认为将多种非接触式传感器合理地冗余复合使用，充分发挥各检测方法的优势，可以得到更精确的检测结果，这也将成为测距技术发展的一个热点。

4、《基于单片机AT89S52的超声波测距系统的设计》

1）作者：

李淑萍

2）摘要：

介绍了基于AT89S52单片机为主控件的超声波测距仪的工作原理、硬件和软件的设计。

硬件主要由超声波发射、接收检测电路和显示电路组成。

该系统测量精度高．能够清晰地显示测量结果，可应用于汽车倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。

3）总结：

本设计硬件简单，容易实现，测距范围适中。

测量误差可以控制在士1cm左右。

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，设计中通过采用温度补偿的方法加以校正声速c并且可以动态显示温度，能够准确测量温度。

另外，系统软件采用合理算法，提高了测量精度，具有较好的应用价值。

5、《基于单片机控制的超声波测距系统的设计》

1）作者：

许艳慧

2）摘要：

本文介绍了一种基于单片机控制的超声波测距系统.详细阐述了其硬件及软件的设计原理。

此系统经济实惠,可用于汽车倒车防撞装置、移动机器人.建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可以用于如液位,井深管道长度的测量等场合。

3）总结：

基于单片机控制的超声波测距系统,增强了超声波的抗于扰能力,减少了人为计算给测距带来的误差.简化了外围接口电路,当今社会是人与自然和谐发展的社会,节约能源己经成为当今社会的主题.在同样性能指标下的系统设计,以节约资源和价格合理而被采用。

本系统解决了实际生活中测距方面带来的不便,一点可以到达,而另一点不可到达的实际问题,避免了给人带来诸多的危险。

6、《智能超声波测距仪的研制》

1）作者：

刘成安孙涛

2）摘要：

为了满足智能化、无接触距离测量要求,自主研制了一种性价比高、体积小的智能超声波测距仪,本文给出其具体实现方案。

对该系统进行的实验,验证了本文提出的方法的正确性和有效性,并能够达到较高的测量精度。

3）总结：

采用温度补偿的方法所设计的超声波测距仪,在实际测量中,能达到很高的使用精度,实现了非接触、低功耗、免维护、性价比高等特点,是一款有很好市场前景的智能式测距仪。

本文作者创新点:

本系统以低价ATmega8工控单片机为控制核心,此单片机具有驱动能力强,运行速度快,抗干扰能力强等特点,使得其在外接驱动电路上大为简化,作为产品开发时其性价比高;其次,由于本系统采用脉冲法测距,系统在远距与近距时都可实现精确测量,所以系统的测量范围更广,精度更高。

7、《便携式超声波测距仪设计》

1）作者：

阎焕忠王长涛王鑫闵莉

2）摘要：

以AT89C52单片机为核心，本文设计了低成本、便携、可数字显示的测距仪，利用超声波测距原理，实现距离数据的测量、该测距仪适应一般的工业测量，具有灵敏度高、测量准确的特点。

3）总结：

经过对本设计进行实际检测数据的分析，测试结果符合设计要求、设计充分利用了单片机的中断资源，采用软硬件相结合的方法来实现实时快速采集数据功能，利用软件的灵活性，提高了系统的可靠性和稳定性，减少了CPU的负担，实现了实时数据检测和数据处理（包括距离值的计算和存储显示）、为了将系统应用于更多领域，可以集成多种功能，如数据的存储可以选用U盘作为数据存储介质，在数据的传输上采用无线传输方式进行远距离传输、进一步扩展系统功能将使得系统具有广泛的应用前景。

8、《超声波测距系统的电路设计》

1）作者：

李长阳

2）摘要：

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，结合实际，重点介绍了超声波测距系统的电路设计。

3）总结：

利用单片机设计的测距仪便于操作、读数直观、经实际测试证明，该类测距仪工作稳定，能满足一般近距离测距的要求，且成本较低、有良好的性价比，由于该系统中锁相环锁定需要一定时间，测得的距离有误差，在汽车雷达应用中此误差为3C111可忽略不计；但在精度要求较高的工业领域如机器人自动测距等方面，此误差不能忽略，只有通过改变!

!

!

些硬件的应用实现对超声波的快速锁定，可以满足更高要求。

9、《超声波测距系统设计》

1）作者：

罗兆纬叶玲玲黄振星叶志敏刘欣

2）摘要：

本文设计了以AT89C52单片机为核心超声波测距电路。

电路由主控制

器模块、超声波测距模块和诺基亚显示模块等三个基本模块构成,通过对三个基本模块各自特点进行分析,实现距离测定功能。

3）总结：

超声波测距模块自带发射接收和控制电路,只需要单片机给触发信号便可进行工作通过软件设计和硬件相应配合,对所测距进行记录、显示工作,实现实时监测。

软件设计主要是完成超声波发射接收回来的数据,通过AT89C52单片机控制,进行相应的算法调整,将测量结果数值显示在显示屏上。

实际测试结果证明

由,本文提出的以AT8C952单片机为核心的超声波测距系统可实现短距离范围的

精确测量。

10、《基于AT89S52单片机的超声波测距系统的设计》

1）作者：

吴　超戴亚文

2）摘要：

基于低成本、高精度的目的提出了一种超声波测距系统的设计方案.设计硬件部分采用AT89S52单片机作为主控MCU,电路部分主要有发射电路、接收电路、显示电路几部分组成.本文在分析了超声波测距原理的基础上指出了设计测距仪的思路和所需考虑的问题,给出了实现超声波测距方案的软、硬件设计系统框图.在设计中兼顾了系统性能和器件成本的关系,降低了整套系统的成本。

3）总结：

本文利用单片AT89S52设计的超声波测距系统结构精简,成本低廉,可靠性强,灵敏度在2m以内可达到cm级,实际制作中加入DS18B20温度检测集成电路会使测量更加精确[2].采用CX20106A芯片用于检波放大,减少了电路之间的互相干扰,减小了电噪声.该系统可广泛应用于倒车雷达、机器人检测以及物位测量领域。

11、《Ultrasonic ranging system design》

1）Bradford

2）Abstact:

Ultrasonic ranging technology has wide using worth in many fields,vehicle navigation and sonar engineering．Now it has been used. 

in level measurement，self-guided autonomous vehicles, fieldwork 

robots automotive navigation，air and underwater target detection，

identification，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，a portable ultrasonic ranging system based on the single chip processor was developed．Keywords：

Ultrasoundr，Ranging System，Single Chip Processor.

3）Conclusions

Required 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, integrated amplifier, but also with automatic gain control level, magnification to 76dB, the center frequency is 38k to 40k, is exactly resonant ultrasonic sensors frequency.

5、方案选择论证

5.1方案比较

方案一红外线测距

红外线测距系统基本框图

方案二超声波测距

超声波测距系统基本框图

5.2、方案论证

方案一红外线测距 

红外线测距利用的是红外线传播时的不扩散原理，当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接收到，再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。

红外线信号在遇到障碍物其距离的不同则其反射的强度也不同，根据这个特点从而对障碍物的距离的远近进行测量的。

方案二超声波测距

超声波是一种超出人类听觉极限的声波即其振动频率高于20kHz的机械波。

超声波测距的原理是根据超声波在空气中传播的反射原理，以超声波传感器为检测部件，应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。

超声波测距仪在工作的时候就是将电压和超声波之间的互相转换，当超声波传感器发射超声波时，发射超声波的探头将电压转化的超声波发射出去，当接收超声波时，超声波接收探头将超声波转化的电压回送到单片机控制芯片，根据发射和接收的时间差，最终计算出超声波发生器到障碍物的实际距离,完成测距，最后在LED显示电路中显示测量的距离。

5.3、方案选择

根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单的方案。

红外线测距的优点是成本低廉，使用安全，制作简单，缺点就是测量精度低，方向性也差，测量距离近。

而超声波在介质中传播不易受干扰,方向性好,能量集中度高,传播距离远等特点经常被用于距离的测量,它具有振动频率高、波长短、绕射现象小而且方向性好，还能够为反射线定向传播等优点，而且超声波传感器的能量消耗缓慢有利于测距。

在中、长距离测量时，超声波传感器的精度和方向性都要大大优于红外线传感器，但价格也稍贵。

从安全性，成本、方向性等方面综合考虑，超声波传感器更适合设计要求。

根据对以上两种种传感器性能的比较。

我们最终决定选用超声波测距作为此测距的设计方案。

6、参考文献

[1],曾屹.单片机原理与应用[M].长沙：

中南大学出版社，2009.

[2],周润景.基于Proteus的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2006.

[3],张一斌，余建坤.单片机原理课程设计[M].长沙：

中南大学出版社，2009.

[4],周润景等.Proteus入门实用教程[M].北京：

机械工业出版社，2007.

[5],苏长赞.邹殿贵.红外线与超声波遥控.人民邮电出版社，2001

[6],杨辉.大规模可编程逻辑器件与数字系统设计.北京航空航天大学出版社，2001

[7],D.Chu.Phasedigitizingsharpenstiming28-32,July1988.