基于单片机的超声波测距系统的设计-文献综述

第1页开题报告（文献综述）1课题背景和意义超声测距技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。因此，深入研究超声的测距理论和方法具有重要的实践意义。2国内外研究现状我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。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，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控和移动机器人的研制上，也可在潮湿高温，多尘等恶劣环境下工作。例如：液位、厚度、管道长度等场合。近年来，随着单片机在我国的推广，以其简单实用、功能强、体积小而日益广泛的被广大设计师采用，尤其在控制领域中的应用更为突出。单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛，在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。目前单片机已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域，随着单片机性能的不断提高，它的应用将会更加广泛。单片机技术发展非常快，所以目前的产品都致力于在功能全面、技术先进、操作简便、安全可靠、价格合理等方面进行仔细研究，精心设计；及时掌握最新的单片机技术，在条件允许的情况下，尽可能地利用最新的单片机技术来研制其应用系统，再利用单片机体积小、价格低、功能强等特点，以保证所设计的产品在未来的一段时间内仍具生命力。在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片机的需求。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。3单片机实现测距原理第2页单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三极管8550驱动。单片机发出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Tr，然后求出距离SCTr2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关。4系统方案：基于AT89C51单片机的超声波测距仪超声波测距仪主要以单片机AT89C51为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即S=340t/2，这就是常用的时差法测第3页距。在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数；当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步；当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。双向超声波测距仪的系统主要有几下部分组成（如图2所示）：LED显示模块，AT89C51芯片，超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块等五大模块组成优点：双向测距，精度高，功耗低。在电路中我们采用PIC芯片它的优点是：精简指令使其执行效率大为提高；彻底的保密性；其引脚具有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至220V交流电源，可直接与继电器控制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。5总结以上内容介绍了超声波测距系统，通过发射并接收超声波，再利用单片机计算出超声波测距仪与被测物体间的距离。该系统能够满足大多数场合所需的要求。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。在汽车雷达中此误差可忽略不计；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。只要通过改变一些硬件的应用实现对超声波的快速锁定，从而减小误差。1.工作进度安排(1).调查、资料收集，了解相关背景知识。2013.10.12013.10.7(2).撰写文献综述、完成外文翻译。2013.10.82013.10.25(3).进行课题的设计工作并进行论文编写。2013.10.262013.12.30(4).论文定稿、提交打印。2014.1.12014.1.15第4页(5).准备答辩。2014.1.162014.3.1第5页参考文献1.王兆安，刘进军.电力电子技术M.机械工业出版社,2009.2.宋文绪.传感器与检测技术M.北京:高等教育出版社,2004.3.肖看，李群芳.单片机原理、接口及应用M.清华大学出版社,2010.4.唐桃波,陈玉林.基于AT89C51的智能无线安防报警器J.电子设计应用,2003,5(6):4951.5.杨居义.单片机课程设计指导M.清华大学出版社,2010.6.张春光.基于单片机的超声波测距系统的设计J.机床与液压,2008,6.7.徐爱钧,彭秀华.单片机高级语言C51应用程序设计M.北京航空航天大学出版社,2006.8.康华光.电子技术基础（模拟部分）M.北京:高等教育出版社,2004.9.彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社.2009年10.吴运昌模拟电子线路基础广州：华南理工大学出版社，2004年11.阎石数字电子技术基础北京：高等教育出版社，1997年12.张晓丽等数据结构与算法北京：机械工业出版社，2002年13.马忠梅ARM&Linux嵌入式系统教程北京：北京航空航天大学出版社，2004年14.李建忠单片机原理及应用西安：西安电子科技大学，2002年15.韩志军