便攜式超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁
便攜式超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第2頁
便攜式超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第3頁
便攜式超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第4頁
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本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))調(diào)研報(bào)告題目:便攜式超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名:石揚(yáng)_________學(xué)號(hào):_______專業(yè)班級(jí):自動(dòng)化12102班______指導(dǎo)教師:周志剛_________完成時(shí)間:2015年12月10日______便攜式超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)部件,應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和超聲波在空氣中的時(shí)間差來測(cè)量距離,設(shè)計(jì)出一個(gè)便攜式超聲波測(cè)距系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)測(cè)量范圍:0-3m,測(cè)量誤差:1cm。要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序,并進(jìn)行調(diào)試或系統(tǒng)仿真。3、簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)原理該系統(tǒng)是一種基于STC89C52單片機(jī)的超聲波測(cè)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(cè)部件,應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和超聲波在空氣中的時(shí)間差來測(cè)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(gè)模塊構(gòu)成。通過單片機(jī)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(cè)接收電路、放大電路送入單片機(jī)外部中斷端,由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間,根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差,最終計(jì)算出超聲波發(fā)生器到障礙物的實(shí)際距離,完成測(cè)距并在數(shù)碼顯示電路中顯示。超聲波測(cè)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(kuò)展性差,所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素,決定采用單片機(jī)作為主控制器,控制超聲波的接收和發(fā)射,并用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示,超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成因?yàn)椴煌某暡òl(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(jì)要進(jìn)行近距離測(cè)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(xiàn)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(dòng)控制,建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺識(shí)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(cè)距儀的發(fā)展主要采用引進(jìn)加仿制等手段,一般測(cè)量精度高,回波穩(wěn)定。但是我國在該領(lǐng)域的發(fā)展相對(duì)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(cè)距方面做了大量的研究,影響超聲波測(cè)距精度的因素包括所測(cè)的超聲波傳輸時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度,其中傳輸時(shí)間的精度影響較大。許多人提出采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來提高測(cè)量精度,目前,相位探測(cè)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(shí)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(cè)距中通過兩次探測(cè)求取回波輪廓包絡(luò)曲線來求得回波的起點(diǎn),通過這種方法使測(cè)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(dòng)增益的控制放大器。也有文獻(xiàn)提出通過數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和小波變換理論來提高測(cè)量精度。1、《超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》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(jī)技術(shù)對(duì)超聲波在空氣中的傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,設(shè)計(jì)了超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹系統(tǒng)硬件組成、檢測(cè)原理、方法以及系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)。3)總結(jié):實(shí)驗(yàn)表明,本系統(tǒng)測(cè)量范圍較大(最大限定15m),測(cè)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(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。要滿足更高的精度要求,還須進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),例如,可增加溫度補(bǔ)償單元;可以進(jìn)一步改進(jìn)接收電路,提高接收電路的反應(yīng)速度;對(duì)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(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)于物理量的非接觸性測(cè)量將會(huì)有更大的需求,超聲波測(cè)距技術(shù)將會(huì)有更大的發(fā)展。2、《超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》1)作者:王維斌2)摘要:介紹了一種以AT89552單片機(jī)為核心控制器件的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)通過測(cè)得超聲波自發(fā)射到接收的往返時(shí)間,根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度,計(jì)算得到測(cè)量距離。同時(shí),為了提高超聲波測(cè)距精度,采用溫度傳感器進(jìn)行環(huán)境溫度檢測(cè),對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)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(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn),因此,系統(tǒng)可以用于工業(yè)測(cè)距,距離開關(guān),汽車安全,智能機(jī)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(cè)量距離在10mc到500cm之間,在近距離測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)存在誤差較大,在50cm和200mc之間測(cè)量時(shí)精度最好,誤差不大于Icm。在本設(shè)計(jì)中由于超聲波發(fā)射周期為10個(gè)25us的方波,因此發(fā)射時(shí)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(cè)距盲區(qū)為9cm。即當(dāng)測(cè)量距離小于9mc時(shí)不能正確測(cè)量。3、《國內(nèi)超聲波測(cè)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(cè)距原理,對(duì)超聲波回波信號(hào)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(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人定位和避障、汽車防撞、曲面仿形檢測(cè)的應(yīng)用現(xiàn)狀作了綜述,分析了超聲波測(cè)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(duì)超聲波測(cè)距的發(fā)展與應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了展望。3)總結(jié):超聲波測(cè)距作為非接觸式檢測(cè)技術(shù)的典型方法之一,以其價(jià)格低廉、信號(hào)處理可靠、不受電磁、天氣影響等優(yōu)勢(shì),必將擁有廣闊的市場(chǎng)前景!綜合分析國內(nèi)超聲波研究現(xiàn)狀,本文對(duì)超聲波測(cè)距研究趨勢(shì)做以下幾點(diǎn)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(dòng)脈沖結(jié)束后,由于慣性會(huì)繼續(xù)振動(dòng)產(chǎn)生盲區(qū),進(jìn)而影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。因此,超聲換能器制造材料的改進(jìn)是超聲波測(cè)距技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著回波信號(hào)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(cè)距系統(tǒng)的有效作用距離、分辨力、測(cè)量精度和抗干擾性等性能,是超聲波測(cè)距理論的又一個(gè)重要研究方向。此外,基于超聲波測(cè)距、CCD探測(cè)、雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距等多種非接觸式檢測(cè)技術(shù)均具有各自優(yōu)點(diǎn)。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(cè)方法的優(yōu)勢(shì),可以得到更精確的檢測(cè)結(jié)果,這也將成為測(cè)距技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。《基于單片機(jī)AT89S52的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》1)作者:李淑萍2)摘要:介紹了基于AT89S52單片機(jī)為主控件的超聲波測(cè)距儀的工作原理、硬件和軟件的設(shè)計(jì)。硬件主要由超聲波發(fā)射、接收檢測(cè)電路和顯示電路組成。該系統(tǒng)測(cè)量精度高.能夠清晰地顯示測(cè)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(chǎng)的位置監(jiān)控,也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。3)總結(jié):本設(shè)計(jì)硬件簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn),測(cè)距范圍適中。測(cè)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(jì)中通過采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕U曀賑并且可以動(dòng)態(tài)顯示溫度,能夠準(zhǔn)確測(cè)量溫度。另外,系統(tǒng)軟件采用合理算法,提高了測(cè)量精度,具有較好的應(yīng)用價(jià)值?!痘趩纹瑱C(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》作者:許艷慧摘要:本文介紹了一種基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng).詳細(xì)闡述了其硬件及軟件的設(shè)計(jì)原理。此系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,可用于汽車倒車防撞裝置、移動(dòng)機(jī)器人.建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控,也可以用于如液位,井深管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合??偨Y(jié):基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng),增強(qiáng)了超聲波的抗于擾能力,減少了人為計(jì)算給測(cè)距帶來的誤差.簡(jiǎn)化了外圍接口電路,當(dāng)今社會(huì)是人與自然和諧發(fā)展的社會(huì),節(jié)約能源己經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)的主題.在同樣性能指標(biāo)下的系統(tǒng)設(shè)計(jì),以節(jié)約資源和價(jià)格合理而被采用。本系統(tǒng)解決了實(shí)際生活中測(cè)距方面帶來的不便,一點(diǎn)可以到達(dá),而另一點(diǎn)不可到達(dá)的實(shí)際問題,避免了給人帶來諸多的危險(xiǎn)?!吨悄艹暡y(cè)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(cè)量要求,自主研制了一種性價(jià)比高、體積小的智能超聲波測(cè)距儀,本文給出其具體實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn),驗(yàn)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(cè)量精度。3)總結(jié):采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄋO(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀,在實(shí)際測(cè)量中,能達(dá)到很高的使用精度,實(shí)現(xiàn)了非接觸、低功耗、免維護(hù)、性價(jià)比高等特點(diǎn),是一款有很好市場(chǎng)前景的智能式測(cè)距儀。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):本系統(tǒng)以低價(jià)ATmega8工控單片機(jī)為控制核心,此單片機(jī)具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),運(yùn)行速度快,抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),使得其在外接驅(qū)動(dòng)電路上大為簡(jiǎn)化,作為產(chǎn)品開發(fā)時(shí)其性價(jià)比高;其次,由于本系統(tǒng)采用脈沖法測(cè)距,系統(tǒng)在遠(yuǎn)距與近距時(shí)都可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量,所以系統(tǒng)的測(cè)量范圍更廣,精度更高?!侗銛y式超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)》1)作者:閻煥忠王長(zhǎng)濤王鑫閔莉2)摘要:以AT89C52單片機(jī)為核心,本文設(shè)計(jì)了低成本、便攜、可數(shù)字顯示的測(cè)距儀,利用超聲波測(cè)距原理,實(shí)現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的測(cè)量、該測(cè)距儀適應(yīng)一般的工業(yè)測(cè)量,具有靈敏度高、測(cè)量準(zhǔn)確的特點(diǎn)。3)總結(jié):經(jīng)過對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析,測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)充分利用了單片機(jī)的中斷資源,采用軟硬件相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理(包括距離值的計(jì)算和存儲(chǔ)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(chǔ)可以選用U盤作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì),在數(shù)據(jù)的傳輸上采用無線傳輸方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸、進(jìn)一步擴(kuò)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(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)》1)作者:李長(zhǎng)陽2)摘要:利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制,結(jié)合實(shí)際,重點(diǎn)介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)。3)總結(jié):利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的測(cè)距儀便于操作、讀數(shù)直觀、經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明,該類測(cè)距儀工作穩(wěn)定,能滿足一般近距離測(cè)距的要求,且成本較低、有良好的性價(jià)比,由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時(shí)間,測(cè)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(jì);但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)器人自動(dòng)測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的快速鎖定,可以滿足更高要求。9、《超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)》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(jì)了以AT89C52單片機(jī)為核心超聲波測(cè)距電路。電路由主控制器模塊、超聲波測(cè)距模塊和諾基亞顯示模塊等三個(gè)基本模塊構(gòu)成,通過對(duì)三個(gè)基本模塊各自特點(diǎn)進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)距離測(cè)定功能。3)總結(jié):超聲波測(cè)距模塊自帶發(fā)射接收和控制電路,只需要單片機(jī)給觸發(fā)信號(hào)便可進(jìn)行工作通過軟件設(shè)計(jì)和硬件相應(yīng)配合,對(duì)所測(cè)距進(jìn)行記錄、顯示工作,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。軟件設(shè)計(jì)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(jī)控制,進(jìn)行相應(yīng)的算法調(diào)整,將測(cè)量結(jié)果數(shù)值顯示在顯示屏上。實(shí)際測(cè)試結(jié)果證明由,本文提出的以AT8C952單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)短距離范圍的精確測(cè)量。《基于AT89S52單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》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(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案.設(shè)計(jì)硬件部分采用AT89S52單片機(jī)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(cè)距原理的基礎(chǔ)上指出了設(shè)計(jì)測(cè)距儀的思路和所需考慮的問題,給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距方案的軟、硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖.在設(shè)計(jì)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(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn),成本低廉,可靠性強(qiáng),靈敏度在2m以內(nèi)可達(dá)到cm級(jí),實(shí)際制作中加入DS18B20溫度檢測(cè)集成電路會(huì)使測(cè)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(jī)器人檢測(cè)以及物位測(cè)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(cè)距時(shí)鐘振蕩器顯示電路時(shí)鐘振蕩器顯示電路單片機(jī)紅外線接收電路障礙物紅外線發(fā)射電路紅外線測(cè)距系統(tǒng)基本框圖方案二超聲波測(cè)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(jī)控制系統(tǒng)LED顯示電路障礙物超聲波測(cè)距系統(tǒng)基本框圖5.2、方案論證方案一紅外線測(cè)距

紅外線測(cè)距利用的是紅外線傳播時(shí)的不擴(kuò)散原理,當(dāng)紅外線從測(cè)距儀發(fā)出碰到反射物被反射回來被測(cè)距儀接收到,再根據(jù)紅外線從發(fā)出到被接受到的時(shí)間及紅外線的傳播速度就可以算出距離。紅外線信號(hào)在遇到障礙物其距離的不同則其反射的強(qiáng)度也不同,根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)從而對(duì)障礙物的距離的遠(yuǎn)近進(jìn)行測(cè)量的。方案二超聲波測(cè)距超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械波。超聲波測(cè)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(cè)部件,應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和超聲波在空氣中的時(shí)間差來測(cè)量距離。超聲波測(cè)距儀在工作的時(shí)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

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