（一）ZigBee通过超声波传感器水深采集
本模块主要实现通过单个zigbee终端节点驱动超声波模块采集液位深度信息回传到PC机上显示。
https://www.doczj.com/doc/9911316534.html,2530介绍
本创新项目使用的Zigbee芯片为CC2530，它集成了业界领先的高性能RF 收发器、增强型工业标准的8051微控制器，具有接收灵敏度高和抗干扰性强的特点。CC2530根据需要有四种不同FLash版本：CC2530F32/64/128/256，本次选择Flash为256K的片子。它具有多种运行模式以及短的模式切换时间，保证了其超低功耗的特点。CC2530的结构大致可以分为三块：CPU和存储模块、电源时钟及外部设备模块、无线模块(图1-1为CC2530最小系统）。主要特点如下：
(1).高性能、低功耗的8051微控制器内核；
(2).适应2.4 GHz IEEE 802.15.4的RF收发器；
(3).电源电压范围宽（2.0～3.6 V）；
(4).看门狗、电池监视器和温度传感器；
(5).具有8路输入8～14位ADC；
(6).2个支持多种串行通信协议的USART, 1个红外发生电路；
(7).个通用的16位和2个8位定时器；
(8).高级加密标准（AES）协处理器；
(9).1个通用I/O 引脚，2个具有20 mA的电流吸收或电流
供给能力；
(10).小尺寸QLP-40封装，6 mm×6 mm。
图2-1CC2530最小系统
2超声波测距模块简介
超声波模块使用的是US-100，本模块可实现2cm~4.5m的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。
主要技术参数：
超声波测距系统通过zigbee模块的cc2530芯片向通过串口超声波探头的引脚TX发送一个0x55的指令，超声波探头发射超声波，超声波向前传播。当超声
波遇到障碍物时会反射回来，进行相关数据处理，RX引脚输出，将测得的距离的数据发送给zigbee模块。
为了验证测得数据是否准确，我们通过串口将RX输出的数据进行显示（图2-1为实测图）。
图2-1串口测试超声波模块
本模块有两种测距方式：电平触发测距，串口触发测距。我们选择的是串口触发测距方式。
在模块上电前，首先插上模式选择跳线上的跳线帽，使模块处于串口触发模式。在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600），系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高8位（HDate），第二个字节为距离的低8位（LData），单位为毫米。即距离值为
（HData*256 +LData）mm（图2-1为US-100超声波模块时序图，图2-2为超声波模块实物图）
图2-1 US-100超声波模块时序图
图2-2 超声波测距模块实物图
系统的设计思路 ：
图2-3系统框图
3.实验测试代码程序
#include
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define RX0 P0_2 超声波发射 超声波接收
Zigbee
控制器 输出数据 OLED 显示 键盘输入（待完善）
#define TX0 P0_3
//函数声明
void Delayms(uint xms); //延时函数
void InitUart(); //初始化串口
void UartSend_String(char *Data,int len);
char temp;
char flag=0;
int data1,data2,data;
char Txdata[5]; //存放数据
char str[5];
/****************************
延时函数
*****************************/
void Delayms(uint xms) //i=xms 即延时i毫秒 (16M晶振时候大约数，32M需要修改，系统不修改默认使用内部16M)
{
uint i,j;
for(i=xms;i>0;i--)
for(j=587;j>0;j--);
}
/**************************************************************** 串口初始化函数
***********************************************************/
void InitUart()
{
CLKCONCMD &= ~0x40; // 设置系统时钟源为 32MHZ晶振
while(CLKCONSTA & 0x40); // 等待晶振稳定 CLKCONCMD &= ~0x47; // 设置系统主时钟频率为 32MHZ
PERCFG = 0x00; //位置1 P0口
P0SEL = 0x3c; //P0_2,P0_3,P0_4,P0_5用作串口,第二功能
P2DIR &= ~0XC0; //P0 优先作为UART0 ，优先级
U0CSR |= 0x80; //UART 方式
U0GCR |= 8; //U0GCR与U0BAUD配合
U0BAUD |= 59; // 波特率设为115200
UTX0IF = 0; //UART0 TX 中断标志初始置位1 （收发时候） U0CSR |= 0X40; //允许接收
IEN0 |= 0x84; // 开总中断，接收中断
}
/***************************
//主函数
***************************/
void main(void)
{
InitUart();
while(1)
{
U0CSR &= ~0x40; //禁止接收
U0DBUF = 0x55;
while(UTX0IF == 0); //发送完成标志位
UTX0IF = 0;
U0CSR |= 0x40; //允许接收
while(!flag);
flag=0;
// U0DBUF=temp;
data1=temp*256;
// while(UTX0IF == 0); //发送完成标志位
// UTX0IF = 0;
while(!flag);
flag=0;
// U0DBUF=temp;
data2=data1+temp;
// while(UTX0IF == 0); //发送完成标志位
// UTX0IF = 0;
data=(int)data2;
str[0]=(char)(data/1000)+0x30;//十进制显示
str[1]=(char)(data/100%10)+0x30;
str[2]=(char)(data/10%10)+0x30;
str[3]=(char)(data%10)+0x30;
str[4]=32;
strcpy(Txdata,str); //将发送内容copy到Txdata;
UartSend_String(Txdata,5);//串口发送数据
Delayms(1000);
}
}
/**************************************************************** 串口接收一个字符: 一旦有数据从串口传至CC2530, 则进入中断，将接收到的数据赋值给变量temp.
****************************************************************/ #pragma vector = URX0_VECTOR
__interrupt void UART0_ISR(void)
{
URX0IF = 0; // 清中断标志
temp = U0DBUF;
flag=1;
}
/**************************************************************** 串口发送字符串函数
****************************************************************/ void UartSend_String(char *Data,int len)
{
int j;
for(j=0;j { U0DBUF = *Data++; while(UTX0IF == 0); UTX0IF = 0; } } 下图最终的测试实物图 第45卷 第4期厦门大学学报(自然科学版) Vol.45 No.4 2006年7月 Journal of Xiamen University (Nat ural Science ) J ul.2006 一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法 收稿日期:2005209222 基金项目:国家自然科学基金(D0602240476018),厦门大学科技创 新基金(00502K70013)资助 作者简介:孙牵宇(1982-),男,硕士研究生.3通讯作者:xmxu @https://www.doczj.com/doc/9911316534.html, 孙牵宇,童 峰,许肖梅3 (厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室,福建厦门361005) 摘要:针对移动机器人超声定位中超声收发传感器角度偏向造成的测距精度下降,本文提出了一种基于归一化波形参数 特征修正的超声测距系统.传统的增益控制、可变阈值等抗起伏措施对抑制传播过程中的幅度起伏造成的测距误差效果较好,但如果传感器角度偏向使波形发生畸变,此类方法仍将造成较大误差.本文通过对传感器角度偏向造成接收信号波形畸变及测距精度下降的理论分析及实验研究,建立了超声接收信号归一化波形特征脉宽与前沿变化的关系,设计了基于单片机实现误差校正的大偏向角高精度超声波测距系统.测距实验结果表明本系统显著减小了传感器角度偏向引起的测距误差,在不同的距离上使测距精度平均提高了1.6%,同时具有成本低、使用简单、方便的特点. 关键词:移动机器人定位;超声测距;角度偏向中图分类号:TP 274.53 文献标识码:A 文章编号:043820479(2006)0420513205 由于超声波测距有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化等优点,因此,广泛应用于移动机器人定位及导航系统[1,2]. 超声测距的精度直接决定了机器人超声波定位的精度性能,目前许多提高超声波测距精度的研究集中在考虑传播过程中幅度起伏造成的误差[3～6],采用增益控制、可变阈值、零交叉点等抗起伏措施保证触发时刻的稳定,实现超声信号飞行时间(TOF ,time of flight )检测精度的提高.上述方法取得精度提高的前提是接收信号的归一化波形保持不变. Lamancus [7]的研究表明,当超声收发传感器轴线存在一定偏角、超声波信号偏向入射时接收信号波形会产生畸变,特别是偏角比较大的时候,如移动机器人定位中在机器人活动范围内当发射与接收传感器处于大偏向角位置时,波形由于信号斜入射而畸变大大降低了传统方法下的测距精度.这个问题严重影响了超声波定位系统在自动导引车高精度停靠等需要高定位精度、大偏角范围场合的应用.如童峰等人研制的机器人超声波导航系统[8],在小偏向角度下(轴线方向上)定位精度为1cm ,在大偏向角度下精度下降为5cm. 本文根据波形畸变理论和实验的分析,针对传感器的发射角和入射角所引起的误差,提出了一种可适用于大角度范围工作条件的处理方法并设计了基于单 片机的系统,实现简单方便.实验结果表明:本系统最终在大角度测距时使测距精度平均提高了1.6%. 1 超声测距系统原理及影响测距精度 的因素 1.1 影响测距精度的因素 除声速变化、噪声等影响因素外,声波在空气介质中声速的变化及散射,衰减的随机不均匀性,引起接收信号在幅度和时间轴上的起伏,是造成测距误差的一个主要原因.图1所示为固定门限电平检测下由幅度起伏引起触发电路的信号前沿不同,产生飞行时间(Time of flight )检测误差,起伏变化越大引起的误差就越大.针对这个问题提出的可变门限[3]、前沿线性前推[4]、零交叉点检测等处理方法,这些方法一个共同的前提就是幅度起伏时,信号的归一化波形基本不变(如图1中实线波形所示),如果波形发生了畸变(如图1 图1 幅度起伏(虚线是畸变波形) Fig.1 Amplitude fluctuations (dashed :distorted wave 2 form ) 中虚线波形所示),仍将造成较大的检测误差. 微机原理与单片机系统课程设计 业：专轨道交通信号与控制 级：班1305 交控 姓名：贺云鹏 学号： 201310104 指导教师：建国 交通大学自动化与电气工程学院 30 日 12 2015 年月 超声波测距仪设计设计说明1 设计目的1.1 测量声波在发超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍射后遇到障碍物反射回来的时间，物的实际距离。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。 超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。 1.2 设计方法 本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过单片机对超声波进行计时并根据超AT89C51发射和接受超声波，使用HC-SR04．声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。 1.3 设计要求 采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。 2 设计方案及原理 2.1超声波测距模块设计 题目：超声波测距仪的设计 超声波测距仪的设计 一、设计目的： 以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。 通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。 二、设计要求： 设计一个超声波测距仪。要求： 1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。 三、设计器材： STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块 SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1） 电容（30PF2，10UF1） 排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子， 导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。 四、设计原理及设计方案： （一）超声波测距原理 超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C 式中 L——要测的距离 T——发射波和反射波之间的时间间隔 C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。 根据本次设计所要求的测量距离的围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。 当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。 （二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍 HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述： 1. 主要技术参数： ①使用电压：DC5V ②静态电流：小于2mA ③电平输出：高5V 超声波测距仪电路设计实验报告 轮机系楼宇071 周钰泉2007212117 实验目的：了解超声波测距仪的原理，掌握焊接方法，掌握电路串接方法，熟悉电路元件。 实验设备及器材：电烙铁，锡线，电路元件 实验步骤：1,学习keil软件编写程序2、焊接电路板3、运行调试 超声波测距程序： #include unsigned char i; sbit ST=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^4; sbit CLK=P3^5; sbit M1=P3^6; sbit M2=P3^7; sbit SPK=P2^6; sbit LA=P3^3; sbit LB=P3^2; sbit LC=P2^7; sbit K1=P2^4; sbit K2=P2^5; bit wd; bit yw; bit shuid; bit shuig; unsigned int cnta; unsigned int cntb; bit alarmflag; void delay10ms(void) { unsigned char i,j; for(i=20;i>0;i--) for(j=248;j>0;j--); } void main(void) { M1=0; M2=0; yw=1; wd=0; SPK=0; ST=0; OE=0; TMOD=0x12; TH0=0x216; TL0=0x216; TH1=(65536-500)/256; TL1=(65536-500)%256; TR1=1; TR0=1; ET0=1; ET1=1; EA=1; ST=1; ST=0; while(1) { if(K1==0) { delay10ms(); if(K1==0) { yw=1; wd=0; } } else if(K2==0) { delay10ms(); if(K2==0) { wd=1; yw=0; } } else if(LC==1) { delay10ms(); if(LC==1) { M1=0; M2=1; temp1=13; shuid=0; shuig=1; LB=0; } } else if((LC==0) && (LB==1)) { delay10ms(); if((LC==0) && (LB==1)) { M1=0; M2=0; temp1=12; shuig=0; shuid=0; LB=0; } 10米超声波测距仪设计实现 一、功能要求 设计一个超声波测距仪，可以测量测距仪与被测物体间的距离。要求测量范围0.1~10.00米，测量精度1cm，测量时与被测物体不接触，并将测量结果显示出来。 二、系统硬件电路 1．单片机系统及显示电路 单片机采用89C51或89S51。采用12MHz高精度晶振，以获得较稳定的时钟频率，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40Hz方波信号，利用外中断0口监测超声波接受电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳极LED数码管，段码用74LS244驱动，位用PNP8550驱动。 2．超声波发射电路 主要由74LS04和超声波换能器T构成。这种推挽形式的方波信号可以提高发射强度。反相器并联提高驱动能力。上拉电阻R1、R2提高74LS04输出高电平的驱动能力。 3．超声波接收电路 CX20106A是接收38KHz超声波的芯片，可利用它做接收电路。 4．系统程序 超声波测距仪的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 主程序： 开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待反射超声波 计算距离 显示结果 丢系统初始化，设置T0为方式1，EA=1，P0，P2清0。为避免超声波发射器直接接传送到接收器，需要延时0.1ms。由于时钟的频率是12MHz，计数器每计一个数就是1us。如果按声速344m/s，则d=c*t/2=172T0 cm 超声波发生子程序：通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号，脉宽12us，同时T0计数。 超声波测距仪利用中断0检测返回的超声波，一旦接收到返回的信号，立即进入中断。中断后就立即关闭T0停止计时。如果计数器益出则测试不成功。 3方案设计和选择 根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波 Study of a N ew U ltrasonic Distance Measurement Method with High Precision W A N G Wensheng,Q I Guangx ue,W EN S huhui,FEN G Bo (Yanshan U niversity,Qinhuangdao Hebei066004P.R.China) Abstract: A new method for ultrasonic distance measurement based on ultrasonic circulation and multi2pulse e2 cho principle is presented in the paper.The ultrasonic distance measurement system based on the single chip mi2 crocomputer is given.This method can conquer the limitation of pulse2echo times and improve the accuracy of measurement after temperature compensation. K ey w ords: ultrasonic distance measurement;high precision;temperature compensation 一种高精度超声测距方法的研究① 王文生,齐广学,温淑慧,冯 波 (燕山大学,河北 秦皇岛 066004) 摘要:本文介绍了一种基于超声波循环反射测量原理的高精度超声测距方法,并给出了以单片机为核心的测距系统的组成.本测量法克服了多次反射法中对回波脉冲个数的限制,经温度补偿后测量精度得到了明显改善. 关键词:超声测距;高精度;温度补偿 中图分类号:TB559 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2002)03-0219-03 1 引 言 超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法,和激光、涡流和无线电测距方法相比,具有不受外界光及电磁场等因素的影响的优点,在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力,且结构简单,成本低,因此在工业控制、建筑测量、机器人定位等方面得到了广泛的应用[1,2].但由于超声波传播声时难于精确捕捉,温度对声速的影响等原因,使得超声波测距的精度受到了很大的影响,限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用,为此,本文提出一种改进后的超声反射测距方法,并设计了以单片机为核心的超声测距系统.2 超声波循环反射测量原理 脉冲反射法,又称回波法,是利用超声波在介质中传播遇到声阻抗有差异的界面时产生反射现象来工作的.根据反射次数的不同,可分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法.多次脉冲反射法是目前最常用的一种超声测距方法,它是指一个超声脉冲多次往返于超声探头与被测界面之间,通过检测电路得到各个超声波发射和接收的波形,再由波形整形后得到相当于超声波传播声时的方波信号[3].由此声时和超声波在已知介质中的声速便可以得出距离,超声波探头到被测物体的距离公式为: x= nc 2kf r (1) 2002年9月 传 感 技 术 学 报 第3期 ①来稿日期:2002204215 课题名称超声波测距+实际MSP430 单片机与proteus 中 虚拟51 单片机串口通信仿真 姓名 学号 年级专业 指导老师 完成日期2017年05 月27 日 摘要 随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 本设计所介绍的就是实现实际单片机与proteus 中的虚拟单片机进行串口通信，采用MSP430F149 单片机为控制核心、以单线数字温度传感器DS18B20 来完成温度信号的采集、温度以数宇的方式显示在LCD1602 液晶上，最终实现温度的采集、显示。利用集成的超声波测距模块测出与障碍物之间的距离。并且利用UART 串口通信将实时数据发送给 proteus 中的虚拟单片机，虚拟单片用的是 AT89C51 单片机。51 单片机把接收到的数据用液晶模块显示出来，实现和实际单片机电路同步显示，并且设有报警电路，当距离小于5cm 时进行报警。 关键词：超声波测距、MSP430 单片机、LCD 液晶显示、proteus 仿真、AT89C51 目录 1. 绪论..................................................................................................... 1.1. MSP430 单片机概述 (1) 1.2. MSP430 的特点 (2) 1.3. 课题研究的主要内容 (3) 2. 系统总体方案设计......................................................................................... 2.1. 控制系统的原理图 (4) 2.2. 超声波测距的原理 (4) 2.2.1. 超声波发生器 (5) 2.2.2. 超声波测距原理 (5) 2.2.3. 超声波测距误差分析 (6) 2.2.3.1. 温度误差 (7) 2.2.3.2. 时间误差 (7) 2.3. 温度测量原理 (8) 3. 硬件系统与软件系统设计................................................................................... 3.1. 硬件部分 (8) 3.1.1. MSP430F149 单片机 (8) 3.1.1.1. MSP430F149 的组成 (9) 3.1.1.2. MSP430F149 的定时器及转换模块 (9) 3.1.2. 单线数字温度传感器DS18B20 (9) 3.1.2.1. 温度传感器DS18B20 特点 (10) 3.1.2.2. 温度传感器DS18B20 内部结构 (10) 3.1.2.3. DS18B20 读/写时序图： (13) 3.1.3. 超声波测距模块 (13) 3.1.3.1. HC-SR04 超声波模块原理图 (13) 3.1.3.2. 实物图： (14) 3.1.3.3. 电气参数： (14) 3.1.3.4. 超声波时序图： (15) 3.1.4. 报警模块 (15) 3.1.5. 液晶显示模块 (16) 3.2. 软件部分 (16) 3.2.1. 主处理的流程图 (16) 3.2.2. 温度采集DS18B20 模块 (18) 3.2.3. 超声波传感器模块 (19) 3.2.4. 报警模块 (20) 4. Proteus 中虚拟单片机的仿真系统设计.......................................................................... 4.1. Proteus 简介 (20) 4.2. ISISI 编辑器介绍 (21) 4.3. Proteus 中虚拟单片机仿真图搭建 (23) 4.3.1. 51 单片机最小系统电路 (23) 4.3.2. proteus 中1602 液晶电路 (23) 4.3.3. 虚拟终端以及串口电路 (24) 4.4. 在Proteus 中画出完整的电路图 (25) 收稿日期:2006-12-13 作者简介:彭翠云(1979-),女,湖北省荆门市人,硕士生,研究方向为汽车倒车辅助系统。 文章编号: 1004-2474(2008)02-0251-04汽车倒车系统中超声波测距模块的设计 彭翠云1,赵广耀2,戎海龙3 (1.安徽工程科技学院机械学院,安徽芜湖,241000;2.东北大学机械工程与自动化学院, 辽宁沈阳110004;3.东南大学自动化学院,江苏南京,210096) 摘 要:介绍了以Cy gnal 8051F 330单片机为控制器,用于汽车倒车的超声波测距模块的硬件电路和软件设 计方案,在抗干扰设计等方面该模块采用了软硬件综合处理措施,实现了较高的测距精度和较宽的测距范围。在满足倒车系统要求的基础上,体现了简单、经济、实效、实用的特点,文章给出了该模块的实际调试效果和误差分析结果。 关键词:超声波测距;带通滤波;单片机中图分类号:T P212 文献标识码:A The Design of Ultrasonic Distance -Measuring S ystem Used on Car -backing System PENG Cui -yun 1 ,ZHAO Guang -yao 2 ,R ONG Hai -long 3 (1.Dept .of M echanical Engineering ,An hui University of Technology and S cien ce ,Wu hu Anhui 241000,China ; 2.C ollege of M echanical E ngineering an d Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China ; 3.College of Automation ,S ou theastern University ,Nanjing 210096,China ) A bstract :A n per so nally desig ned ultr aso nic distance -measuring sy stem is intro duced and its hardw are circuits and softw are design me tho ds are giv en in this pape r ,which ba ses o n Cyg na l 8051F330sing le chip ,a nd is applied to ca rbacking sy stem .In the sy stem ,some impr ovement on bo th ha rdw are a nd softw are is adapted ,w hich makes the sy stem has better precisio n and wider measuring range .M o reove r ,besides its capability o f satisfy the requirement raised by car -backing sy stem ,the system ha s other characters such as briefness ,economy ,actual effect ,practicality e tc ..T he practical debugg ing results and err or a nalyzing results a re given at the end of this paper . Key words :ultrasonic distance -measuring ;bandpass -filtr ation ;sing le chip 超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点,通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测[1]。本文主要探讨倒车系统的超声波测距模块的设计与实现。超声测距模块作为汽车外部环境传感器,其用途是向决策系统实时提供汽车与障碍物的间距,以利于汽车蔽障。为克服以往超声波测距模块因采用超声波专用集成电路而造成的电路固定,应用不灵活,抗干扰和抗噪声能力差等不足,本超声波测距模块以Cy gnal 8051F330单片机为核心,并侧重发送模块和回波接收预处理模块的开发与实验研究,获得了较高的测距精度和较宽的测距范围,能满足倒车系统要求。该模块选用器件较廉价且易获取,体现出简单、经济、实效、实用的特点。 1 硬件设计 为使超声测距模块和决策系统之间的接口线最少,本设计采用模拟口方式而不采用串口、SM Bus 等方式。该方式即决策系统从超声波测距模块获得的距离信息为一模拟电压,该模拟电压正比于被测 距离。 为实现控制系统的简单化,本超声测距模块的中央处理器采用Cyg nal 8051F330单片机[2],该单片机较其他单片机(如F060等)外设规模小,仅有17个I /O 口,虽然功能上显得不够强劲,但其指令执行速度并未降低,加上其20引脚的精简封装,已广泛应用于所需功能较为简单的小规模控制电路中。对于倒车超声波测距系统可谓是合适的选择。 图1为超声测距模块的原理。单片机每隔一定时间间隔向超声波换能器发送一串频率为40kHz (超声波换能器的谐振频率)的激励脉冲,使超声波换能器向需要探测的方向发射出超声波,同时开始定时,一旦接收到返回的超声波信号即停止定时,获得超声波往返时间,由超声波脉冲在空气中传输的速度,便可计算出超声波换能器与目标物体间距离。 第30卷第2期压 电 与 声 光 Vo l .30No .22008年4月 PI EZO EL ECT ECT RICS &ACO U ST OO P T ICS Apr .2008 文献综述 题目超声波测距技术综述学生姓名 专业班级 学号 院（系）电气信息工程学院指导教师 完成时间2014 年06月01日 超声波测距技术综述 摘要 我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远等特点，同时它是一种非接触式的检测方式，不受光线、被测对象颜色等影响，因此经常被用于距离的测量。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，深入研究超声波测距的理论和方法具有重要的实践意义。 关键词超声波超声波测距车辆导航物位测量 1 引言 1.1 超声波简介 一般认为，关于超声的研究最初起始于1876年F1Galton的气哨实验。当时Galton 在空气中产生的频率达300K Hz,这是人类首次有效产生的高频声。而科学技术的发展往往与一些偶然的历史事件相联系。对超声的研究起到极大推动作用的是,1912年豪华客轮Titanic号在首航中碰撞冰山后的沉没，这个当时震惊世界的悲剧促使科学家们提出用声学方法来预测冰山，在随后的第一次世界大战中，对超声的研究得以进一步的促进。 近些年来，随着超声技术研究的不断深入，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声的应用变得越来越普及。目前已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。 而我国，关于超声波的大规模研究始于1956年。迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际水平。 1.2 超声波测距简介 超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量，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。超声波测距仪，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。 超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量，机器人视觉识别，倒车防撞雷达，海洋测量，物体识别等方面得到广泛的应用。超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点。与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、 6 仿真与调试 6.1 基于Proteus软件的仿真 Proteus是一款功能强大的软件，其ISIS用来做仿真十分方便，尤其是单片机系统的仿真，我们在本设计的开发初期，用Proteus来仿真我们的设计，以便验证我们的设计，对设计的正确性做出分析。 因为在proteus软件中没有超声波传感器之类的元件，发射和接收的信号可以用信号发生器发出的类似信号进行仿真。本次仿真与实际电路现象有所出入，所以仅供参考； 在proteus软件里用“激励源”里的“SINE”作为超声波发射信号，设置如下图6-1所示： 图6-1 超声波模拟发射信号设置 用“虚拟仪器”里的简易示波器来接收正弦波进行观察；下面的“虚拟示波器”中，蓝色的波是模拟超声波发射的正弦波，黄色的波是接收到的波。 6.2电路调试 首先对单片机最小系统进行检测，看单片机是否正常工作；比如晶振是否起振，复位电路时候能对单片机进行复位。在这些都正常后就可以对原理图中的各个模块进行调试。 （1）显示电路的调试 对显示电路的调试主要是调试程序所写的和数码管的显示是否一致，若不一致就对数码管的高低位显示做调整。首先调试显示电路主要是为了方便后面的调试 （2）发射模块调试 上电后，在单片机P1.0脚处用示波器检测是否有波发出，然后再在超声波换能器TCT40-10F1连接处检测发出的波的状况；TCT40-10F1的连接要注意引脚的高低电平。 （3）接收模块调试 接收模块的调试不太容易，因为不知道什么时候可以接收到波，所以我在程序中有设置设置了若接收到波数码管的显示不为“0000”；通过TCT40-10S1还还可以判断，若接收到波后，TCT40-10S1的高电平脚变为低电平。为了能更 好的发射和检测到波，我设置了两组超声波换能器，发射都是从P1.0脚出来，都由P3.2进行采样接收。 超声波测距电子电路设计详解 在自主行走机器人系统中，机器人要实现在未知和不确定环境下行走，必须实时采集环境信息，以实现避障和导航，这必须依靠能实现感知环境信息的传感器系统来实现。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到广泛应用。由于超声波测距方法设备简单、价格便宜、体积小、设计简单、易于做到实时控制，并且在测量距离、测量精度等方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本文所介绍的机器人采用三方超声波测距系统，该系统可为机器人识别其运动的前方、左方和右方环境而提供关于运动距离的信息。 超声波测距原理 超声波发生器内部由两个压电片和一个共振板组成。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未加外电压，当共振板接收到超声波时，就成为超声波接收器。超声波测距一般有两种方法：①取输出脉冲的平均电压值，该电压与距离成正比，测量电压即可测量距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，根据被测距离s=vt？2来得到测 量距离，由于超声波速度v与温度有关，所以如果温度变化比较大，应通过温度补偿的方法加以校正。 本测量系统采用第二种方法，由于测量精度要求不是特别高，所以可以认为温度基本不变。本系统以PIC16F877单片机为核心，通过软件编程实现其对外围电路的实时控制，并提供给外围电路所需的信号，包括频率振动信号、数据处理信号等，从而简化了外围电路，且移植性好。系统硬件电路方框图见图1。 图1 系统硬件电路方框图 由于本系统只需要清楚机器人前方、左方、右方是否有障碍物，并不需要知道障碍物与机器人的具体距离，因此不需要显示电路，只需要设定一距离阀值，使障碍物与机器人的距离达到某一值时，单片机控制机器人电机停转，这可通过软件编程实现。 收稿日期:2005-10-08;修订日期:2005-12-25 基金项目:中国大洋矿产资源研究开发协会技术发展资助项目(DY 105-03-02) 作者简介:卜英勇(1944-),男,安徽芜湖人,中南大学教授,博士生导师,主要研究方向为设备资产管理、设备状态 监测与故障诊断. 文章编号:1671-6833(2006)01-0086-05 一种高精度超声波测距仪测量精度的研究 卜英勇,何永强,赵海鸣,任凤跃 (中南大学机电工程学院,湖南长沙410083) 摘 要:在超声波测距技术中,通常受温度的影响和传播声时(T OF )的检测误差,使得超声波测距的精度不高.为了提高超声波测距仪的测量精度,针对传统超声测距仪在结构上进行了改进,安装了具有温度补偿功能的标准校正器具;同时,根据回波信号的传输特征,利用小波分析法对回波信号进行运算处理,提出了基于小波包络原理的峰值检测方法.试验结果表明:这些技术显著提高了超声测距的精度并增强了超声检测的可靠性. 关键词:超声波测距;标准校正板;小波分析;峰值检测;中图分类号:T B 559 文献标识码:A 0 引言 超声波测距技术是近年来出现的测距新技 术,是一种非接触的检测方式,和红外、激光及无线电测距相比,它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性,在近距范围内、颜色以及电、磁场的影响,在恶劣作业环境下有一定的适应能力.因此利用超声波测距在实现定位及环境建模场合,如:液位、汽车防撞雷达、井深及管道长度测量、机器人定位、辅助视觉系统等方面得到广泛的应用[1～6].但传统的超声波测距仪测量精度普遍较低,都不能满足高精度测量的要求.为了克服此不足,我们从测距仪结构设计和回波信号处理的角度出发,提出了基于回波包络峰值的检测方法,从而进一步提高测距仪超声检测的精度[7～10]. 1 超声波测距原理及系统硬件电路组成 超声波测距是借助于超声波脉冲回波(即声纳法)来实现的.该系统原理如图1所示. 设脉冲超声波由探头发出到接收所经历的时间为t ,超声波在空气中的传播速度为c ,从探头到目标探测物的距离为d ,则 d =1 2 ct (1)2 超声波测距仪的结构改进及温度补偿 原理 超声波在空气中的传播速度随着环境温度、湿度以及大气压力的变化而变化,其中以环境的温度对声速的影响最大.环境温度每升高或降低1℃,声速就增加或减小0.607m/s.因此,消除由温度的变化而引起的测距误差就显得尤为重要. 图1 超声波测距系统原理框图 Fig.1 The principle frame diagram of ultrasonic distance measurement system 2006年 3月第27卷 第1期郑州大学学报(工学版) Journal of Zhengzhou University (Engineering Science )Mar. 2006V ol.27 N o.1 摘要 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。 介绍了一种以A T 89C2051 单片机为核心, 利用超声波的特性设计出低成本、高精度测距仪的方法。给出了这种测距仪的硬件原理电路和主要的软件设计思路,用Psp ice 对硬件的主要部分进行了模拟仿真。根据理论分析和试验统计对设计进行改进, 电路达到了预期的效果。 关键词：AT89C2051; 超声波；测距 Abstract With the development of science and technology, the improvement of people's tandard of living, speeding up the development and construction of the city. Urban rainage system have greatly developed their situation is constantly improving. However,due to historical reasons many unpredictable factors in the synthesis of her time, the city drainage system. In particular drainage system often lags behind urban construction.Therefore, there are often good building excavation has been building facilities to upgrade the drainage system phenomenon. It brought to the city sewage, and it is clear to the city sewage and drainage culvert in the sewage treatment system. comfort is very important to people's lives. Mobile robots designed to clear the drainage culvert and the automatic control system Free sewage culvert clear guarantee robot, the robot is designed to clear the culvert sewage to the core. Control System is the core component of the development of ultrasonic range finder. Therefore, it is very important to design a good ultrasonic range finder. A kind of u lt rason ic telem eter based on A T 89C205 is in t roduced. Th is telem eter is provided w ith som e m er it s such as low co st and h igh2accu racy becau se of the u lt rason ic w ave character ist ic. The hardw are p r incip le elect r ic circu it and them ain sof tw are design idea are show ed. The sim u lat ion of the m ain par t of the hardw are has been done w ith P sp ice. A t last, acco rding to the theo ret ical analysis and the exper ience som e imp rovem en t s of the design are m ade. The system has ach ieved the an t icipated effect. Key words:AT89C2051; Silent Wave；Measure Distance 西南科技大学毕业设计（论文） 题目名称：超声波测距模块的设计 年级：■本科□专科 学生学号： 学生姓名：指导教师： 学生单位：技术职称： 学生专业：教师单位：信息工程学院 西南科技大学教务处制 超声波测距模块的设计 摘要：超声波测距应用十分广泛。论文在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。本文设计了一套超声波检测系统，该系统是一种基于AT89C51 单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传播的反射原理, 以超声波传感器为接口部件, 应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。设计利用51单片机系统的I/O口，使超声波传感器发出40KHz的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入单片机，比较调试后确定其对应的距离，完成测距。可实现3米内测距，盲区7厘米，具有LCD显示功能。 关键词：超声波；超声波传感器；AT89C51单片机；LCD显示单元；测距仪 Design of Ultrasonic Distance measurement Abstract: The ultrasonic ranging application is extremely widespread. After the feasibility and reliability has been analysised, the structure design technique was established. This article introduces an ultrasonic distance measurement based on the AT89C51 single-chip computer, the system according to ultrasound in the air reflection principles of the dissemination. And it uses the ultrasound sensor as interface components for the application of the distance measure based by single-chip computer technology and the margin of time that ultrasound transmit in air, thereby the systems of design of ultrasonic test comes into being. The system primarily composed by the four modules : the controller module,ultrasonic launch module, ultrasound receiving module and display modular. The I/O ports of the 51 single-chip computer were used to cause the ultrasonic transducer to send out the 40kHz ultrasonic wave. The reflected signal enter the 51 after the enlargement and feedback circuit, and the system will complete the range finder by debugging the corresponding distance. This design can realize 3 meters in range finders, with the 7 centimeters blind spot, The system have the LCD demonstration. Keywords: ultrasonic, ultrasonic sensor, AT89C51 single-chip computer, LCD display unit, range finder一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法
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