1、精選優質文檔-傾情為你奉上 中 北 大 學畢業設計開題報告學 生 姓 名：XXX學 號：學 院、系：信息與通信工程學院 電氣工程系專 業：自動化設 計 題 目：基于單片機的超聲波測距系統設計指導教師:賈建芳 2012 年 3 月 15 日畢 業 設 計 開 題 報 告1結合畢業設計情況，根據所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述一、 研究背景及意義隨著傳感器和單片機控制技術的不斷發展，非接觸式檢測技術已被泛應用于多個領域。目前，典型的非接觸式測距方法有超聲波測距、CCD 探測、雷達測距、激光測距等。其中，CCD 探測具有使用方便、無需信號發射源、同時獲得大量的場景信息等

2、特點，但視覺測距需要額外的計算開銷1。雷達測距具有全天候工作，適合于惡劣的環境中進行短距離、高精度測距的優點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、測量速度快等優勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但其成本高、數據處理復雜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，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優點。目前，超聲波測距已普遍應用在液位測量、移動機器人定位和避障等領域，應用前景廣闊。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測

3、量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求。超聲波技術以廣泛的應用于工生產，通信，醫療以及家用電器等領域。二、 國內外研究現狀 目前，國內學者對超聲波回波信號處理算法的研究已經日漸成熟，但其作為超聲波探測定位的關鍵技術，仍將是一個重要的研究方向。隨著超聲波回波信號處理方法的不斷完善，如何研發新型、高性能超聲波換能器以進一步拓寬超聲波測距的應用空間，作為解決超聲波測距系統不足的根本手段，越來越受到國內學者關注。通過對以Vmos 場效應管為開關元件的超聲波發射電路進行分析，馬慶云等4發現激勵脈沖寬度對超聲波換能

4、器的發射功率影響極大，換能器取得最大發射功率所對應的激勵脈沖寬度為其諧振周期的一半。該分析結果對新型超聲波換能器的發射電路的設計具有一定的指導作用。針對傳統連續調頻超聲波系統需要使用寬帶超聲傳感器的不足，李希勝等5提出了一種連續窄帶調頻超聲波測距方法。該方法可以利用較低的瞬時超聲波功率實現較高的平均發射功率，從而利用普通超聲傳感器來組成超聲發射-接收傳感器對，避免了使用價格昂貴的寬帶超聲傳感器。目前國產低功率超聲波探頭，一般不能用于探測15m以外的物體，美國AIRMAR 公司生產的Airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達30m，但價格較高。潘仲明等14對大作用距離超聲波傳感技術進

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。現階段，國內一些科研人員在超聲波發射電路的簡化、發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、超聲波發生機理創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，一般采用發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。但是當它采用較高頻率超聲波時，會因空氣吸收而較快衰減，導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，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用領域的拓寬。現階段常見問題的分析及解決：、超聲波傳播波速不恒定 超聲波在介質中的傳播速度隨周圍環境( 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償的方法，即 在數據處理中對超聲波傳播速度進行實時溫度補償。、存在盲區 發射超聲波時，超聲波換能器在驅動脈沖結束后，會由于慣性繼續振動，產生余振。余振期間，由于無法區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。這段時間由于無法檢測超聲波傳播距離，從而出現盲區。為了減小盲區，即盡快讓余振衰減到零或足夠小，馬志敏27提出自動根據測量距離遠近調控發射功率的方法，即自動根據距離的遠近來調整發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。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，難于準確地提供目標的邊界信息。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等提出步進電機驅動單套小波束角傳感器做扇形掃描的方法，即步進電機每轉過一個步距角，測距系統便在當前的角度上測取一個距離信息，結合當前的掃描角度，就得到了一個較為精確，而且兼有距離、方向的位置信息。該方法有效彌補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。三、 本課題相關理論綜述 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差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。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如

9、果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的機理，單片機(AT89C51)發出短暫的40kHz信號,經放大后通過超聲波換能器輸出;反射后的超聲波經超聲波換能器作為系統的輸入,鎖相環對此信號鎖定,產生鎖定信號啟動單片機中斷程序,得出時間t,再由系統軟件對其進行計算、判別后,相應的計算結果被送至LED顯示電路進行顯示。參考文獻：1 徐杰，陳一民等.雙目視覺變焦測距技術. 上海大學學報，2009，( 4) :972 鄒祥林，周洪，葉鵬. 港口起重機雷達防撞系統的信號處理電路的設計. 傳感器與微系統報，2007，26：12

10、 .3 房慶海，趙永麗. 衛星激光測距數據處理算法的研究進展 . 激光技術報，2008，32：40.4 曹玉華. 超聲測距系統設計及其在機器人模糊避障中的應用 . 中國海洋大學報，2007，3 : 1125童峰，許肖梅，許天增. 基于遺傳算法的超聲LMS自適應時延估計 . 應用聲學報，2000，1 : 2406 Yang Yichun，Ma Chizhou. Algorithm study of fast andaccurate time-delay estimation with fine interpolation of correlation peak . Acta Acustica，2

11、003，28 ( 2) :159-166.7 程曉暢. 基于相關函數包絡峰細化的高精度超聲測距法 . 測試技術學報，2006，20( 4) : 1568 卜英勇.一種高精度超聲波測距儀測量精度的研究.鄭州大學學報,2006，27( 1) :349 趙海鳴，等. 一種高精度超聲波測距方法的研究 .湖南科技大學學報( 自然科學版) ，2006,21( 3) : 7710 付華，杜曉坤，陳峰. 基于神經元網絡的超聲傳感器補償算法及在井下機器人避障中的應用, 傳感技術學報，2006，19( 2) : 5511 陳先中，等. 超聲測距系統的高精度中心橢圓算法 . 北京科技大學學報，2007，29( 11

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13、于單片機的超聲波測距系統，加深對當前國內國際超聲波技術發展的了解和學習超聲波測距原理。二、 擬采用的研究手段單片機(AT89C51)發出短暫的40kHz信號,經放大后通過超聲波換能器輸出;反射后的超聲波經超聲波換能器作為系統的輸入,鎖相環對此信號鎖定,產生鎖定信號啟動單片機中斷程序,得出時間t,再由對其進行計算、判別后,相應的計算結果被送至LED顯示電路進行顯示。系統設計圖如下：超聲波模塊：由于不能自給生產超聲波發生模塊，所以擬決定在網上買現成的超聲波模塊，模塊功已經集成了很多功能，只需要按照協議，按照一定頻率的脈沖序列，就能返回相應的脈沖序列單片機： 由于此系統非常簡單，對處理器要求不高，所以選擇最簡單的89C51單片機就能滿足要求。按照一定頻率給超聲波模塊發送脈沖，然后根據采集回來的脈沖，計算脈沖的往返時間，根據公式計算出超聲探頭與障礙物