超声波测距仪的设计开题报告
1 课题来源及研究的目的及意义
超声波是一种频率在20kHz以上的机械波，在空气中的传播速度约为340m/s（20℃）。由于超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色的影响，比其他仪器更卫生，具有不污染、高可靠、长寿命等特点，被广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、污水处理厂、食品、水文、等行业中，可在不同环境中进行距离的准确度在线标定，可直接用于水酒精、糖等液位控制，能达到工业实用的指标要求。还可以用于移动机器人的视觉系统中，这样可使机器人自动躲避障碍物行走，及时获得障碍物的位置信息，同时超声波测距系统具有以上的这些特点，在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛应用[1]。
超声波测距仪利用超声波收发探头测量仪器到墙面或其他固定物体的距离，并通过液晶屏显示出来，在实现功能的基础上，尽可能提高测量精度。测量精度要达到分米级。
2 国内外在该方向的研究现状及分析
目前国际国内，在超声波测距方面的研究方向和水平的不同，主要体现在对测距原理、超声波信号处理方法和超声波测距处理器的选用上。常见的超声波测距原理分为渡越时间法和相位差法两种。信号的处理方法大致分为阈值检验法、互相关延时估计法、伪随机码扩频测距法和最小均方法四种。在处理器方面大多以单片机为主，其中以51系列应用最为广泛，采用运算速度更快，效率更高dsp芯片作为处理器，也正成为一个非常活跃的研究方向。目前已研制的超声波测距仪中，量程一般为3-12m，美国AIRMAR公司生产的airducer AR30超声波传感器的作用距离可达30m，但价格昂贵，准确度方面已控制在测量误差的0.4%左右，与真值的差距在厘米级的范围内，若采用互相关或伪随机法，最高可控制在0.05m内，在提高精确度方面，超声波测距还有很大的发展潜力和上升空间[2]。
3 主要研究内容
设计出以单片机为核心控制声波测距仪系统。
（1）研究并总结超声波测距仪设计的基本方法及研究现状；
（2）掌握以AT89S51芯片为核心的单片机系统的使用方法；
（3）研究74LS04组成的超声波发射电路、声波处理模块、液晶显示等器件组成；
（4）研究依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路的方法。
4 研究方案及进度安排，预期达到的目标
4.1研究方案
4.1.1超声波测距原理
超声波传感器分机械方式和电气方式两类[3],它实际上是一种换能器,在发射端它把电能
或机械能转换成声能,接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器,它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号,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,产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,就成为超声波接收器。在超声波电路中,发射端输出一系列脉冲方波,脉冲宽度越大,输出的个数越多,能量越大,所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同,使用时应分清器件上的标志[4]。超声波测距的方法有多种:如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法[5]。
本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,经反射后由超声波接收器接收脉冲,其所经历的时间即往返时间,往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。
假定s为被测物体到测距仪之间的距离,测得的时间为t/s,超声波传播速度为v/m·s-1表示,则有关系式(1)
s=0.5vt (4-1) 在精度要求较高的情况下,需要考虑温度对超声波传播速度的影响,按式(2)对超声波传播速度加以修正,以减小误差。
v= 331.4+ 0.607T (4-2) 式中,T为实际温度单位为℃,v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s[6]。
如果精度要求很高，则应该通过温度补偿方法加以校正[7]。
表4-1 一些温度下的声速
本系统由超声波发射、回波信号接收、温度测量、显示和报警、电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。系统原理框图,如图4-1所示。
图4-1系统原理框图
整个系统由单片机AT89S51控制,超声波传感器采用收发分体式,分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中,遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收[8]。进行相关处理后,输入单片机的INT0脚产生中断,计算中间经历的时间,同时再根据具体的温度计算相应的声速,根据式(2)就可得出相应的距离用来显示。当然在一些场合也可根据需要,设置距离报警值[9]。
4.1.2 具体实验步骤
（1）系统方案论证
超声波测距仪的设计思路，超声波测距方法的选择，超声波发生器选择，超声波接受传感器，显示单元选择，语音播报电路选择，温度传感器的选择。
（2）系统的硬件结构设计
研究AT89S51单片机的功能及特点，单片机测距原理，超声波发射电路，超声波检测接收电路，温度补偿电路，显示单元电路，语音播报电路，无线发射与接收电路。
（3）系统的软件设计
超声波软件测距软件设计主要由主程序，发射子程序，外部中断接收子程序及显示子程序[8]。软件设计的主要工作为超声波测距仪的算法设计，主程序流程图，超声波发生子程序和超声波接收中断程序，系统的软硬件的调试。
4.2 预期达到的目标
采用以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个方案采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成[10]。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计出系统总体方案，最后通过硬件和软件实现各功能模块。
4.3 进度安排
2012.2.21~2012.3.10 查阅文献资料
2012.3.11~2012.3.22 熟悉相关软件，制定课题方案
2012.3.23~2012.3.23 开题
2012.3.23~2012.3.31 硬件电路设计
2012.4.01~2012.5.31 用Protel绘制电路图，编写控制程序
2012.6.01~2012.6.30 撰写论文，准备答辩
5 为完成课题已具备和所需要的条件和经费
需要电脑一台。
6 研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决措施
研究过程中，超声波测距仪可能测量值与真值差距较大，这主要是因为实验环境不理想，研究过程中除了温度，并未考虑到其他因素。系统的误差主要来自于发射探头发出的超声波是呈喇叭状扩散传播、被测物的表面不光滑且不一定垂直于两探头的轴线而导致所反射回来的波也许是从不同点获得。此外电子元器件自身的时延、干扰等也会造成一定影响[11]。可以根据具体场合,选择合适功率的探头,以及调整程序中脉冲的频率、宽度和个数等提高精度或测量距离,扩大系统的应用范围[12]。
超声波测距在实际应用也有局限性，其中对超声波测距的精度要求较高。一是超声波在空气中衰减极大，因为测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生了较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离造成较大的影响，还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定地影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测距精度要求较高的场合的应用[13]。
另外设计中发射极和接收极距离较近，这样当发射极发射超声波后，有部分超声波未经过障碍物反射就直接绕射到接收极上，这部分信号时无用的，会引起系统误差，而且这种误差是不可避免的。设计中应采用延时来解决这个问题[14]。
7 主要参考文献
[1] 孟立凡等.传感器原理及技术[M],北京，国防工艺出版社，2005
[2] 杨永瑞,刘振起.电子测量技术基础[M],西安：西安电子科技大学出社,2004.
[3] 瞿金辉,周蓉生.超声波测距系统的设计[J].中国仪器仪表2007（8）44-45
[4] 袁佑新,吴妍,刘苏敏,等.可视汽车倒车雷达预警系统设计[J].微计算机信息, 2007 (23):
268-270.
[5] 张国勋，孙海. 单片机原理及应用（第二版）[M],北京：中国电力出社,2007.
[6] Shirley PA. An introduction to ultrasonic sensing[J].sensors.1989(11):15-21.
[7] Benesty J,Chen Jingdong.Time-Delay Estimation via LinearInterpolation and Cross
Correlation[J].IEEE Transactions onSpeech and Audio Processing,2004,12(5):509-519. [8] Sui Weiping, Pan Zhongming. A New Type of Driving andEchoes Detection Circuit for
Ultrasonic Transducers[J].Journal of National University of Defense Technology, 2004,26(3): 107-111.
[9] 翁黎朗.超声波换能器驱动和接收电路的研究[J],集美大学学报,自然科学版.1998, No.4:
60-64.
[10] 谭浩强.Ｃ程序设计（第二版）[M],北京：清华大学出版社,1999.
[11] S.Sartori,ZHANG G X.Geometric Error Measurement and Compensation of
Machines.Annals of the CIRP.1995:599-609
[12] Olton W.Instrumentation&process measurement.Longman Scientific&Technical.1991
[13] 张红莲.基于单片机的超声波测距系统的设计[J]. Plc&TA.2008(09)：89-91
[14] H.Elmer, H.Schweinzer,G.Magerl. High resolution Supersonic distances measurement for
long distances[J].Technisches Messen .2003,70(04):18-22.