超声测距系统设计开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：专 业：电气工程及其自动化设计(论文)题目：超声测距系统设计指 导 教 师: 2011年2月24 日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述1 研究背景测距的原理和方法有很多，根据信息载体的不同可分为光学方法、无线电方法和超声波方法1。随着电子技术的发展，先后出现了激光、超声波及红外线等非接触式测距方法。激光测距虽然测距精度高，操作简单，但是受环境的影响比较大，且系统检测维护不便，价格相对昂贵，一般多在军事领域应用。红外测距属于电磁波的一种，超声波是声波测距，实现起来更容易且不受电磁干扰影响。红外传播速度为3x108m/s，超声波在空气中的传播速度为340m/s，其速度相对电磁波是非常慢的，因此在同等距离的情况下，超声波的传播时间远大于红外，往返时间更易测量1。由于超声波方向性好、超声测量无接触，超声波测距系统价格低廉、易实现、信息处理简单可靠，所以利用超声波进行距离和长度的测量越来越受到人们的重视。超声波技术的发展经历了从理论技术的研究到大范围的工业应用。在这期间，雷达技术、激光技术、电子技术等技术的发展对超声波技术不断更新和发展起到了很大的促进作用2。2 国外研究现状一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响3。1917年，法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信联络。在这之后对超声的研究主要体现在电子领域4。1925年，Pierce使用石英传感器和镍传感器来产生和探测超声波，而且频率扩展到兆赫级。至此；Debye,Sears,Lcas分别发现了超声波的衍射光栅，用超声波来研究液体和气体的声学特性方法得到稳定发展。 1927年Hantalnnn和Tro11e解决了超声汽笛的许多细节问题，这些汽笛被证明在流毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告体中最高功率可达50W。1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作2。4年后，1934年sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Bergrnann在他的论著ULTRASONIC中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。1950年以后，雷达技术的发展大大促进了超声波探伤技术发展；电子计算机、激光技术等新技术的发展又加速了超声波技术的发展。脉冲调制的超声波广泛地应用于无损探测、医疗诊断及各种工业控制中3。1965年，新材料和新技术以及微波传播理论得到深入研究，产生了频率超过IOOGHz的超声波。这些超高频的超声波开始应用于物理学基础研究、通信和计算机技术等领域中。1980年，美国国家仪器有限公司(NationalInstruments)研发了各种软件技术来进行测试测量。1992年 FigneroaJ.F提出一种新的超声回波计时方法，该方法利用峰值和相位相加得到回波时延冈。这种方法所能达到的精度指标为：18一34米，误差精度2%。1997年Kimiyuki等人提出了一种基于像散焦点差探测理论的新的超声波传感器，并证明了它的可行性5。2007年，HanneSElmer利用编码信号对高精度超声波测距系统进行了研究，提出了实现高分辨率的方法。2008年，美国APRESYS测距仪公司推出了一系列的超声波测高仪，这些测高仪体积小、便于携带，能够满足不同的测高要求。近几年，电子技术及压电陶瓷材料的发展使超声检测技术得到迅速发展。美国普力塞思公司研制了APRESYS超声波测距仪，实现了高速精确的长宽高测量及面积测量6。加拿大柏威腾超声波设备厂研制了各种超声波测量及工业应用设备。在无损探伤、测温、毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告测距、流量测量、液体成分测量等方面，新的超声检测仪不断出现，应用领域不断扩大。3 国内研究现状 在我国，超声学的研究始于二十世纪六十年代，1959年至1964年间我国建立了分子声学实验室，对驰豫吸收、悬浮体的声吸收等问题进行了深入的研究，设计生产了固体中超声衰减的测量设备，对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减的研究取得了令人振奋的成果。同时在超声波探伤、加工、种子处理、显示、医疗等应用领域取得了可喜的成绩。从1970年我国开始了高频表面波的研究，并在1977年成功研制了表面脉冲压缩滤波器7。 1980年以后，我国的超声研究进入了一个全新的阶段，取得了一系列标志性成果，压电复合材料研制成功，窄脉冲短余振探头问世，PVDF高分子压电薄膜材料赶超了国际水平，高分子压电PVDF型换能器和超声显微镜得到了应用，高频压电材料LINbO3研制成功。在应用方面，B超和A超医疗探头开始投入生产并应用于医疗领域，超声显微镜也投入使用4。 随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，再加上超声测距具有的无损、非接触等优点，使得对超声技术的研究不断深入。在超声波测距中，1995年李月花在可调式实用超声波发生器的研制中通过求相关性来求延迟时间，利用插值公式进行解释，提高了超声波的测量精度8。1996年中国科学院上海声学实验室提出了一种双频超声波测距的原理和方法。1998年，曼内斯德马泰克(秦皇岛)有限公司推出了一种数字式超声波位移测量仪3，同年，童峰等人在文章中根据声的发射、反射的传输理论推倒出测距回波包络曲线的近似方程，提出了高精度信号处理方法，在2.5m12m的范围内，测量误差达到0.25%。这些理论研究的提出和仪器的研制代表了超声波技术进入了一个崭新的历史时期。 2000年，童峰、许肖梅等提出一种以均方误差为观察对象的LMS自适应延时估计算法，这种算法极大的提高了超声测距的可靠性，但是算法较为复杂，运算量大，不利于实时处理。2002年，王光亮等人对基于超声波测距的家用自主式移动吸尘器路径规划算法进行了研究，充分说明了超声波测距系统己经从理论研究阶段转化为在人们日常生毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告活中的运用阶段4。2006年，雷建龙利用超声波测距原理对液位测量仪进行研制，提出了便携式液位测量仪的实现方法9。2007年薛丽芳等人依照实际设计的测距仪详细介绍了一种基于超声波的测距系统，采用温度补偿的方法增加测距精度，并对超声波测距的精度问题进行了详细的讨论8。2008年，军械工程学院的王红云在基于超声波测距的倒车雷达系统设计中利用数字传感器对温度进行测量，并利用声速与温度之间的校正公式对声速进行校正，提高了时间测量精度，从而提高了测量距离的准确度，测量距离在5m以内，可以满足安全倒车的要求10。 目前，超声波技术己经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。迄今为止，我国在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中少数项目己接近或达到了国际水平12。然而，国内在超声波测量精度方面较国外仍有差距，超声波测距专用集成电路的精度只能达到厘米级，能够满足一般工业测量的要求，但对于一些精度要求较高的测距场合就不适合了1。然而，工业机器人的自动测距、导航系统、机械加工自动化装配及检测的需要以及信号处理技术和计算机技术的发展对超声波技术的测量精度要求越来越高，国内的超声波技术有待于在这方面加大研究力度，得到更大发展。4 课题研究的意义 超声波在测距方面具有以下突出的优点: (l)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7；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13。 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16。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毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告的改善，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3。 参 考 文 献1 邹轶.近距离高精度超声波测距系统的设计D. 大连理工大学 20092 潘仲明.大量程超声波测距系统研究D. 国防科学技术大学 20063 王丽娜.基于小波变换高精度在线超声波测距技术研究D 长春理工大学 20094 林书玉著.超声换能器的原理及设计M. 科学出版社, 2004 5 韩宝亮,孙伟.单片机在超声波测距中的应用J. 东北电力学院学报 1996年04期 6 贾莉娜.超声物位检测系统中的误差来源及补偿方法J. 仪器仪表用户 2005年01期 7 程铁栋,杨丽荣.CPLD和单片机的高精度超声测距系统J. 单片机与嵌入式系统应用 2005年12期 8 毕然.基于嵌入式系统的倒车雷达设计与开发D. 吉林大学 2009 9 司春宁.基于超声波的距离测量系统的研究及其应用D. 东华大学 2009 10 张丹.基于单片机控制的超声测距系统的研究D. 陕西师范大学 2008 11 孔雅琼.基于单片机的超声测距仪研究与开发D. 国防科学技术大学 2007 12 王莹.高精度超声波测距仪的研究设计D. 华北电力大学（北京） 2006 13 黄建兵.超声波精确测距的研究D. 南京理工大学 2004 14 戴曰章,吴志勇.基于AT89C51单片机的超声波测距系统设计J. 计量与测试技术 2005年02期 15 牛余朋,成曙.基于单片机的超声波测距系统J. 兵工自动化 2005年04期 16 史彦斌,段哲民,高宪军.基于AT89C2051的超声波测距仪设计J. 计测技术 2006年01期 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告2课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） 1 本课题要研究和解决的问题本课题的首先要解决的问题就是整个系统的整体设计，有了整体设计才能根据各部分的功能分别从硬件和软件上解决问题；其次，系统的误差分析和检测也是一个难点；最后，软件程序的设计和实物的制作与调试也需要攻克。2 根据问题所拟定的研究手段本课题有三个主要问题需要解决，分别是系统整体设计、系统误差规避、系统程序和系统实物设计制作。其中，系统整体设计可以通过查阅相关资料和借鉴工业成品来解决；系统误差规避主要通过所学知识和查阅相关资料吸取总结已有经验，提高制作工艺规避系统误差和偶然误差来实现；软件程序的设计和实物的制作与调试可以根据所学知识进行，对于该过程中所遇到的问题可以通过查阅相关资料，和同学讨论，询问指导老师，到实验室进行试验等手段解决。具体如下：（1）硬件设计本系统包括以下几部分：以单片机AT89S51为核心，周围电路包括显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、扫描驱动等。AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。系统组成如图1所示：毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告AT89S51超声波接收超声波发送LED显示扫描驱动 图1（2）软件设计由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端P0和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us,当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取20时的声速为344 m/s则有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值） 测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。主程序框图如图2所示： 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 系统初