基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共11頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：XXX學(xué) 號：學(xué) 院、系：信息與通信工程學(xué)院 電氣工程系專 業(yè)：自動(dòng)化設(shè) 計(jì) 題 目：基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:賈建芳 2012 年 3 月 15 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述一、 研究背景及意義隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測技術(shù)已被泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。目前，典型的非接觸式測距方法有超聲波測距、CCD 探測、雷達(dá)測距、激光測距等。其中，CCD 探測具有使用方便、無需信號發(fā)射源、同時(shí)獲得大量的場景信息等

2、特點(diǎn)，但視覺測距需要額外的計(jì)算開銷1。雷達(dá)測距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測距的優(yōu)點(diǎn)2，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜3。與前幾種測距方式相比，超聲波測距可以直接測量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點(diǎn)。目前，超聲波測距已普遍應(yīng)用在液位測量、移動(dòng)機(jī)器人定位和避障等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測

3、量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。超聲波技術(shù)以廣泛的應(yīng)用于工生產(chǎn)，通信，醫(yī)療以及家用電器等領(lǐng)域。二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)學(xué)者對超聲波回波信號處理算法的研究已經(jīng)日漸成熟，但其作為超聲波探測定位的關(guān)鍵技術(shù)，仍將是一個(gè)重要的研究方向。隨著超聲波回波信號處理方法的不斷完善，如何研發(fā)新型、高性能超聲波換能器以進(jìn)一步拓寬超聲波測距的應(yīng)用空間，作為解決超聲波測距系統(tǒng)不足的根本手段，越來越受到國內(nèi)學(xué)者關(guān)注。通過對以Vmos 場效應(yīng)管為開關(guān)元件的超聲波發(fā)射電路進(jìn)行分析，馬慶云等4發(fā)現(xiàn)激勵(lì)脈沖寬度對超聲波換能

4、器的發(fā)射功率影響極大，換能器取得最大發(fā)射功率所對應(yīng)的激勵(lì)脈沖寬度為其諧振周期的一半。該分析結(jié)果對新型超聲波換能器的發(fā)射電路的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。針對傳統(tǒng)連續(xù)調(diào)頻超聲波系統(tǒng)需要使用寬帶超聲傳感器的不足，李希勝等5提出了一種連續(xù)窄帶調(diào)頻超聲波測距方法。該方法可以利用較低的瞬時(shí)超聲波功率實(shí)現(xiàn)較高的平均發(fā)射功率，從而利用普通超聲傳感器來組成超聲發(fā)射-接收傳感器對，避免了使用價(jià)格昂貴的寬帶超聲傳感器。目前國產(chǎn)低功率超聲波探頭，一般不能用于探測15m以外的物體，美國AIRMAR 公司生產(chǎn)的Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達(dá)30m，但價(jià)格較高。潘仲明等14對大作用距離超聲波傳感技術(shù)進(jìn)

5、行研究，研制了諧振頻率為24. 5kHz 的新型超聲波傳感器，其作用距離超過了32m，測量誤差小于2%。廖一等6提出利用彎曲振動(dòng)換能器改善聲匹配，將氣介超聲波換能器的最大探測距離提高到35m?，F(xiàn)階段，國內(nèi)一些科研人員在超聲波發(fā)射電路的簡化、發(fā)射功率和頻率的控制、最大探測距離的提高等方面對新型超聲波換能器進(jìn)行研究并取得了一定成果，但對新型超聲換能器制作材料、超聲波發(fā)生機(jī)理創(chuàng)新等方面的研究尚有不足。目前市場上普通的超聲波測距系統(tǒng)，一般采用發(fā)射單超聲脈沖的方法，這種方法在測距精度和可靠性等方面的研究已較成熟。但是當(dāng)它采用較高頻率超聲波時(shí)，會因空氣吸收而較快衰減，導(dǎo)致有效測量距離降低; 在通過降低頻率

6、以增大測距范圍時(shí)，測距的絕對誤差又會增大。因而該方法存在測量分辨力和有效作用距離的矛盾，極大制約了超聲波傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬?，F(xiàn)階段常見問題的分析及解決：、超聲波傳播波速不恒定 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨周圍環(huán)境( 溫度、壓力等)的變化而變化，其中溫度的影響最為明顯。常溫下，超聲波的傳播速度為340m/s，溫度每升高1，聲速增加約為0. 6 m/s，因此超聲波測距中一般采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，?在數(shù)據(jù)處理中對超聲波傳播速度進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償。、存在盲區(qū) 發(fā)射超聲波時(shí)，超聲波換能器在驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束后，會由于慣性繼續(xù)振動(dòng)，產(chǎn)生余振。余振期間，由于無法區(qū)分回波信號與余振信號，因此必須等余振停止或衰減到足夠

7、小后，才能允許接收傳感器接受信號。這段時(shí)間由于無法檢測超聲波傳播距離，從而出現(xiàn)盲區(qū)。為了減小盲區(qū)，即盡快讓余振衰減到零或足夠小，馬志敏27提出自動(dòng)根據(jù)測量距離遠(yuǎn)近調(diào)控發(fā)射功率的方法，即自動(dòng)根據(jù)距離的遠(yuǎn)近來調(diào)整發(fā)射拖尾波覆蓋信號的寬度，從而消除拖尾波的干擾。QiangLi，Zhang7提出增大余振衰減系數(shù)的方法，來加速余振的衰減。郗曉田提出通過減小電容上電壓最大值U 的初值來加速余振衰減的方法，也可在一定程度上減小盲區(qū)。超聲波探測器測量分辨力和探測角度范圍的矛盾 超聲波測距選用大波束角探測器，可以滿足探測范圍要求，但分辨能力較差，難于準(zhǔn)確地提供目標(biāo)的邊界信息。然而如果采用小波束角探測器，可以滿足

8、分辨能力的需要，但探測范圍很難滿足要求。針對這一矛盾，金元郁8等提出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單套小波束角傳感器做扇形掃描的方法，即步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，測距系統(tǒng)便在當(dāng)前的角度上測取一個(gè)距離信息，結(jié)合當(dāng)前的掃描角度，就得到了一個(gè)較為精確，而且兼有距離、方向的位置信息。該方法有效彌補(bǔ)了大波束角探測器分辨能力差，小波束角探測器探測范圍不足的缺點(diǎn)。三、 本課題相關(guān)理論綜述 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t,然后求出距S=Ct/2，式中的C為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如

9、果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機(jī)理，單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的40kHz信號,經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出;反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入,鎖相環(huán)對此信號鎖定,產(chǎn)生鎖定信號啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序,得出時(shí)間t,再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后,相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)行顯示。參考文獻(xiàn)：1 徐杰，陳一民等.雙目視覺變焦測距技術(shù). 上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，( 4) :972 鄒祥林，周洪，葉鵬. 港口起重機(jī)雷達(dá)防撞系統(tǒng)的信號處理電路的設(shè)計(jì). 傳感器與微系統(tǒng)報(bào)，2007，26：12

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13、于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)，加深對當(dāng)前國內(nèi)國際超聲波技術(shù)發(fā)展的了解和學(xué)習(xí)超聲波測距原理。二、 擬采用的研究手段單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的40kHz信號,經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出;反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入,鎖相環(huán)對此信號鎖定,產(chǎn)生鎖定信號啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序,得出時(shí)間t,再由對其進(jìn)行計(jì)算、判別后,相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)行顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如下：超聲波模塊：由于不能自給生產(chǎn)超聲波發(fā)生模塊，所以擬決定在網(wǎng)上買現(xiàn)成的超聲波模塊，模塊功已經(jīng)集成了很多功能，只需要按照協(xié)議，按照一定頻率的脈沖序列，就能返回相應(yīng)的脈沖序列單片機(jī)： 由于此系統(tǒng)非常簡單，對處理器要求不高，所以選擇最簡單的89C51單片機(jī)就能滿足要求。按照一定頻率給超聲波模塊發(fā)送脈沖，然后根據(jù)采集回來的脈沖，計(jì)算脈沖的往返時(shí)間，根據(jù)公式計(jì)算出超聲探頭與障礙物