基于单片机的超声波测距系统设计-(6).doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：XXX学 号：0805054146学 院、系：信息与通信工程学院 电气工程系专 业：自动化设 计 题 目：基于单片机的超声波测距系统设计指导教师:贾建芳 2012 年 3 月 15 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一、 研究背景及意义随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被泛应用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD 探测、雷达测距、激光测距等。其中，CCD 探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销1。雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点2，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂3。与前几种测距方式相比，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。目前，超声波测距已普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。超声波技术以广泛的应用于工农业生产，通信，医疗以及家用电器等领域。二、 国内外研究现状 目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。随着超声波回波信号处理方法的不断完善，如何研发新型、高性能超声波换能器以进一步拓宽超声波测距的应用空间，作为解决超声波测距系统不足的根本手段，越来越受到国内学者关注。通过对以Vmos 场效应管为开关元件的超声波发射电路进行分析，马庆云等4发现激励脉冲宽度对超声波换能器的发射功率影响极大，换能器取得最大发射功率所对应的激励脉冲宽度为其谐振周期的一半。该分析结果对新型超声波换能器的发射电路的设计具有一定的指导作用。针对传统连续调频超声波系统需要使用宽带超声传感器的不足，李希胜等5提出了一种连续窄带调频超声波测距方法。该方法可以利用较低的瞬时超声波功率实现较高的平均发射功率，从而利用普通超声传感器来组成超声发射-接收传感器对，避免了使用价格昂贵的宽带超声传感器。目前国产低功率超声波探头，一般不能用于探测15m以外的物体，美国AIRMAR 公司生产的Airducer AR30 超声波传感器的作用距离可达30m，但价格较高。潘仲明等14对大作用距离超声波传感技术进行研究，研制了谐振频率为24. 5kHz 的新型超声波传感器，其作用距离超过了32m，测量误差小于2%。廖一等6提出利用弯曲振动换能器改善声匹配，将气介超声波换能器的最大探测距离提高到35m。现阶段，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低; 在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。现阶段常见问题的分析及解决：、超声波传播波速不恒定 超声波在介质中的传播速度随周围环境( 温度、压力等)的变化而变化，其中温度的影响最为明显。常温下，超声波的传播速度为340m/s，温度每升高1，声速增加约为0. 6 m/s，因此超声波测距中一般采用温度补偿的方法，即 在数据处理中对超声波传播速度进行实时温度补偿。、存在盲区 发射超声波时，超声波换能器在驱动脉冲结束后，会由于惯性继续振动，产生余振。余振期间，由于无法区分回波信号与余振信号，因此必须等余振停止或衰减到足够小后，才能允许接收传感器接受信号。这段时间由于无法检测超声波传播距离，从而出现盲区。为了减小盲区，即尽快让余振衰减到零或足够小，马志敏27提出自动根据测量距离远近调控发射功率的方法，即自动根据距离的远近来调整发射拖尾波覆盖信号的宽度，从而消除拖尾波的干扰。QiangLi，Zhang7提出增大余振衰减系数的方法，来加速余振的衰减。郗晓田提出通过减小电容上电压最大值U 的初值来加速余振衰减的方法，也可在一定程度上减小盲区。超声波探测器测量分辨力和探测角度范围的矛盾 超声波测距选用大波束角探测器，可以满足探测范围要求，但分辨能力较差，难于准确地提供目标的边界信息。然而如果采用小波束角探测器，可以满足分辨能力的需要，但探测范围很难满足要求。针对这一矛盾，金元郁8等提出步进电机驱动单套小波束角传感器做扇形扫描的方法，即步进电机每转过一个步距角，测距系统便在当前的角度上测取一个距离信息，结合当前的扫描角度，就得到了一个较为精确，而且兼有距离、方向的位置信息。该方法有效弥补了大波束角探测器分辨能力差，小波束角探测器探测范围不足的缺点。三、 本课题相关理论综述 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距S=Ct/2，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理，单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出;反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。参考文献：1 徐杰，陈一民等.双目视觉变焦测距技术. 上海大学学报，2009，( 4) :972 邹祥林，周洪，叶鹏. 港口起重机雷达防撞系统的信号处理电路的设计. 传感器与微系统报，2007，26：12 .3 房庆海，赵永丽. 卫星激光测距数据处理算法的研究进展 . 激光技术报，2008，32：40.4 曹玉华. 超声测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用 . 中国海洋大学报，2007，3 : 1125童峰，许肖梅，许天增. 基于遗传算法的超声LMS自适应时延估计 . 应用声学报，2000，1 : 2406 Yang Yichun，Ma Chizhou. Algorithm study of fast andaccurate time-delay estimation with fine interpolation of correlation peak . Acta Acustica，2003，28 ( 2) :159-166.7 程晓畅. 基于相关函数包络峰细化的高精度超声测距法 . 测试技术学报，2006，20( 4) : 1568 卜英勇.一种高精度超声波测距仪测量精度的研究.郑州大学学报,2006，27( 1) :349 赵海鸣，等. 一种高精度超声波测距方法的研究 .湖南科技大学学报( 自然科学版) ，2006,21( 3) : 7710 付华，杜晓坤，陈峰. 基于神经元网络的超声传感器补偿算法及在井下机器人避障中的应用, 传感技术学报，2006，19( 2) : 5511 陈先中，等. 超声测距系统的高精度中心椭圆算法 . 北京科技大学学报，2007，29( 11) : 19612 马庆云，杨辉. 激励脉冲宽度对超声发射能量的影响 . 矿业研究与开发，2000，20( 5) : 9913 李希胜，吴并臻，尤佳，舒雄鹰. 连续窄带调频超声波测距方法 . 北京科技大学学报，2005，27( 2) : 2414 潘仲明，简盈，王跃科. 大作用距离超声波传感技术研究 . 传感技术学报，2006，19( 1) : 12215 廖一，崔慧海，曾迎生，唐璐. 基于弯曲振动超声换能器的远距离测量 . 机器人技术报，2008， 10(2) : 34 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、 本课题要研究或解决的问题设计一个基于单片机的超声波测距系统，加深对当前国内国际超声波技术发展的了解和学习超声波测距原理。二、 拟采用的研究手段单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出;反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示。系统设计图如下：超声波模块：由于不能自给生产超声波发生模块，所以拟决定在网上买现成的超声波模块，模块功已经集成了很多功能，只需要按照协议，按照一定频率的脉冲序列，就能返回相应的脉冲序列单片机： 由于此系统非常简单，对处理器要求不高，所以选择最简单的89C51单片机就能满足要求。按照一定频率给超声波模块发送脉冲，然后根据采集回来的脉冲，计算脉冲的往返时间，根据公式计算出