超声波测距系统的应用设计

目录前言 (V)1. 超声波测距仪 (1)1.1检测技术 (1)1.1.1 检测系统的组成 (1)1.2传感器 (2)1.2.1 传感器的定义 (2)1.2.2 传感器的基本组成部分 (2)1.2.3 传感器的分类 (3)1.2.4 传感器的性能参数及要求 (3)1.3国内外超声波测距仪的现状 (4)1.3.1 国外测距仪的现状 (4)1.3.2 国内测距仪的现状 (4)2. 超声波测距仪测距原理及总体设计 (6)2.1超声波测距仪测距原理 (6)2.1.1 测距原理 (6)2.1.2 超声波测距仪的理论分析 (8)2.2超声波传感器工作原理 (10)2.2.1 超声波传感器基本结构及工作原理 (10)2.2.2 超声波传感器的工作方式 (11)2.3超声波测距仪的总体设计 (12)2.3.1 总体设计思想 (12)2.3.2 工作过程 (14)3. 系统结构及硬件设计 (15)3.1超声波测距仪的硬件设计思想 (15)3.28051单片机系统 (16)3.3复位电路设计 (17)3.4电源电路原理图 (18)3.5超声波发射电路设计 (19)3.5.1 超声波发射电路功能 (19)3.5.2 超声波发射电路原理图 (19)3.5.3 超声波驱动电路原理图 (20)3.6超声波接收电路 (23)3.6.1 超声波接收电路功能 (23)3.6.2 超声波接收电路原理图 (24)3.7微弱信号换向选通电路原理图 (27)3.874LS164静态显示电路原理图 (30)4. 测温电路原理 (32)4.1温度补偿目的 (32)4．2测温电路设计原理及原理图 (32)5. 软件设计 (34)5.1软件设计总体框图 (34)5.2软件程序设计 (37)5.2.1 延时模块 (42)5.2.2 数据处理模块 (43)5.2.3 显示模块 (44)5.2.4 测温模块 (44)6. 结论 (46)参考文献 (48)致谢 (50)前言随着社会生产和科学的发展，智能机器人的研究越来越受到社会各界的广泛重视。

机器人学包括控制、传感技术、视觉和人工智能等多方面的知识，我们仅在控制和传感技术方面进行了初步的尝试，对一台微型电动车进行了改装，模拟轮式移动机器人，设计出基于单片机控制的移动机器人超声波测距控制系统。

在现场生产中，在某一段距离上用机器运输一定的物料至指定地点，运送机器如果具有自动避障的功能，会节省很大的成本和人力资源，提高工作效率的作用。

在很多现场中具有自动运行功能的小车很多，但是在小车行进的过程中可能会遇到障碍，于是研究具有自动避障功能的小车就很有意义了。

要解决自动避障问题，首先小车的"眼睛"即检测系统要能很好的反应小车的距离及位置，常用的距离检测系统有红外检测，超声波检测，差动传感器系统等等[1]。

这里用到的是超声波检测系统。

超声波具有穿透性强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强的优点。

这种采用微型单片机控制的自动避障小车具有一定的智能，能识别一般大小的障碍物体，并具有自动避障的能力，具有快速响应的能力。

1. 超声波测距仪1.1 检测技术1.1.1 检测系统的组成检测技术几乎已应用于所有的行业，它是多学科知识的综合应用，设计半导体技术、激光技术、光纤技术、声控技术、遥感技术、自动化技术、计算机应用技术，以及数理统计、控制论、信息论等近代新技术和新理论。

检测系统的最终目的就是从测量对象中获取反映其变化规律的有用信息，为了实现此目的，一个广义的检测系统一般由激励装置、测试装置、数据处理与记录装置所组成。

为了保证测量结果的准确性，上述各环节的输出量与输入量之间应保持一一对应和尽量不失真的关系，这种关系通常是线性关系，而且尽能地减少或消除各种干扰，使有用信号进入系统。

1.2 传感器1.2.1 传感器的定义传感器是信息检测的必要工具，是生产自动化、科学测试、计量核算、检测诊断等系统中必不可少的基础环节[6]。

通常是检测系统与被测对象之间的接口，处于检测系统的输入端，其性能直接影响着整个检测系统，对检测精确度起着主要作用。

一般来讲，自动检测装置中最初感受被测量并将它转换为可用信号输出的器件叫传感器，在工程上也称为探测器、换能器、测量头。

传感器也可定义为能把特定的被测信息（物理、化学、生物等）按一定的规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。

1.2.2 传感器的基本组成部分传感器由敏感元件、转化元件和其他辅助元件组成。

1.2.3 传感器的分类传感器的分类由于工作原理、测量方法和被测对象的不同，传感器的分类方法也不同。

目前，采用较多的分类方法如下。

按信号变换的特征、用途、工作的物理基础、能量关系、测量方式、输出信号的形式等1.2.4 传感器的性能参数及要求传感器的优劣，一般通过若干主要性能指标来表示。

除了前面已在一般检测系统中介绍的特征参数如灵敏度、线性度、分辨率、准确度、频率特性等特性外，还常用阀值、漂移、过载能力、稳定性、可靠性、以及与环境相关的参数、使用条件等。

不同的传感器常常根据实际需要来确定其主要指标参数，有些指标可以低些或可不考虑。

下面简单介绍一下阀值、漂移、过载能力、稳定性、重复性的定义，可靠性的指标内容以及传感器工作要求。

1.3 国内外超声波测距仪的现状1.3.1 国外测距仪的现状国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结了许多新的测量原理[8]。

在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。

从国外测距仪表发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用。

普遍采用电子设计自动化(EDA)、计算机辅助测试(CAT),数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)等。

呈现出(1)智能化测距仪;(2)非接触测量方式的测距仪;(3)新原理的小型测距仪。

1.3.2 国内测距仪的现状国内的早期的测距仪也是基于机械原理的，但是随着世界的电子技术的发展，国内位移测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量更高。

在国内有超声波测距仪，精度不高，而且用于多方向的测距仪也不多见，以下是几种超声波测距仪。

1）深圳莱德电子超声波测距仪测量范围：0.5m–13.0m测量精度：±(1cm+0.5%⨯距离)分辨率：1cm2）北京友邦公司Sonic Tape测量范围：0.6m-10m精确度：±05%分辨率：0.01m总结:综合国内外超声波测距仪，精度都不高，国内分辨率是lcm ，存在盲区，技术保密。

本文设计的测程较之前面所述的超声波测距仪稍短，但精确度高，误差为士3cm，分辨率是lemma，且没有盲区。

在测量原理中，激光测距仪测程远，但是在自动避障机器人中，受光线影响不适宜采用激光原理测距。

人工检尺方式不可能，雷达造价高，Y射线需事先定性定量，因此，在自动避障机器人中只能用超声波测距原理来设计测距仪。

2. 超声波测距仪测距原理及总体设计本章分析超声波测距仪的测距原理，及讲述几种检测方法。

重点完成对超声波测距仪的总体设计。

2.1 超声波测距仪测距原理2.1.1 测距原理距离公式: 距离(S)=时间(T)X速度(V)。

在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。

利用超声波测的时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。

相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。

本超声波测距仪采用渡越时间检测法。

超声波测量原理图如图2.1在超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面;由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。

传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。

如图2.1所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为V=344m/s(20℃时)，依据公式S=(1/2)V X T，得出距离S。

渡越时间测量法:1 直接计时法2 相位法2.1.2 超声波测距仪的理论分析超声波是机械波，在介质中传播是受介质影响的，下面介绍超声波在空气介质中的传播特点[2]。

声波概述如下：在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在20Hz到20,OOOHz之间，就能引起人的听觉。

在这一频率范围内的振动称为声振动，声振动所激起的纵波称为声波。

超声波在实际介质中传播时，其能量将随距离的增大而逐渐减小，称为衰减。

引起衰减的原因大致有三个:1）由声束扩展引起的衰减。

2）由散射引起的衰减。

3）由介质的吸收引起的衰减。

由定性分析，超声波被混泥土等墙面反射，只需考虑反射波，不考虑透射波。

超声波方向性强，扩散少，多次被反射，但多次反射的反射波不易被超声波接收器接收，可以不予考虑。

折射波不会被接收，也不予考虑。

声波理论分析结论:超声波在传播过程中存在能量损耗，波束多种路径传播，存在着多种干扰信号，但接收器一般只能接收到被被测面垂直反射的信号，因为这个信号最强，因此，也就滤掉了其它回波等干扰信号。

使正确地接收正确信号成为可能。

时间由单片机定时器TO得到。

超声波测距仪己经应用于某些领域，与传统的测距仪相比，它具有原理简单，易于控制，且具有非接触测量、价格低廉等优点。

超声波测距仪的接收器可能接收到三种干扰信号:1）面反射的信号；2）侧面物体漫反射的信号；3）直达信号，即从超声波发射器直接接收信号。

当三种信号幅值足够大，放大后淹没了有用信号时，将会使处理器产生误解，输出错误结果。

因此，设计中需避免此类信号进入超声波接收器，或者进入接收器后滤掉，或者处理器及时辨识，不予处理。

处理方法在第六章抗干扰中介绍。

超声波测距仪理论分析结论:利用超声波传感器及设计的硬件电路，可以及时辨识有用的超声波回波信号，利用单片机计时，得时间，时间与速度相乘，得距离。

利用超声波测距方便快捷有效，具有可行性。

2.2 超声波传感器工作原理2.2.1 超声波传感器基本结构及工作原理利用超声波感知或检测物体，有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点，在许多方面体现了独到之处。

很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。

近年来，超声波的波长范围己达μm级，频率已扩大到GHz领域，分辨率达μm量级的超声波显微镜已实用化。

在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。

人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:机械方式和电气方式产生超声波发生器。

实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。