基于单片机的超声波测距系统 大学论文.doc

1 绪 论 1.1 课题背景 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.2 课题研究意义 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。 1.3 现阶段常见问题的分析及解决方案 （1）超声波传播波速不恒定 超声波在介质中的传播速度随周围环境 （温度、压力等）的变化而变化，其中温度的影响最为明显。常温下，超声波的传播速度为 340m/s，温度每升高 1℃，声速增加约为0.6 m/s，因此超声波测距中一般采用温度补偿的方法，即在数据处理中对超声波传播速度进行实时温度补偿。 （2）回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减 回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减，使得接收传感器接收到的回波信号随着测量距离的增大而大幅减小，给回波前沿的准确定位带来困难，造成测量精度降低。在回路上串入自动增益调节环节 （AGV），使得电路放大倍数随着测量距离的增大而相应规律地增加，可有效解决该问题。 （3）盲区 发射超声波时，超声波换能器在驱动脉冲结束后，会由于惯性继续振动，产生余振。余振期间，由于无法区分回波信号与余振信号，因此必须等余振停止或衰减到足够小后，才能允许接收传感器接受信号。这段时间由于无法检测超声波传播距离，从而出现盲区。 为了减小盲区，即尽快让余振衰减到零或足够小，马志敏提出自动根据测量距离远近调控发射功率的方法，即自动根据距离的远近来调整发射拖尾波覆盖信号的宽度，从而消除拖尾波的干扰。 QiangLi,Zhang提出增大余振衰减系数的方法，来加速余振的衰减。郗晓田提出通过减小电容上电压最大值U 的初值来加速余振衰减的方法，也可在一定程度上减小盲区。 （4）超声波旁瓣影响 接收传感器在超声波发射结束后接收到的第一个波一般是串扰直通波。它是超声波信号由近源的波束旁瓣或通过换能器绕射，直接到达接收传感器造成的。因此，安装传感器过程中，两个探头之间距离应大于3cm，从而降低超声波旁瓣对测距系统精度的影响 （5）混响信号干扰 混响信号是由于水中介质及界面等非目标物对发射信号的反向散射波在接收点叠加而产生的。其本身是一种回波，且包含的信号频率与发射信号相近，不能被一般滤波电路或算法消除。特别在近距离探测中，它是主要背景干扰。测距时，可以根据时间变化，控制接收放大电路的增益，以实现对混响信号幅值的抑制。 （6）超声波探测器测量分辨力和探测角度范围的矛盾 超声波测距选用大波束角探测器，可以满足探测范围要求，但分辨能力较差，难于准确地提供目标的边界信息。然而如果采用小波束角探测器，可以满足分辨能力的需要，但探测范围很难满足要求。针对这一矛盾，金元郁等提出步进电机驱动单套小波束角传感器做扇形扫描的方法，即步 进电机每转过一个步距角[1]，测距系统便在当前的角度上测取一个距离信息，结合当前的扫描角度，就得到了一个较为精确，而且兼有距离、方向的位置信息。该方法有效弥补了大波束角探测器分辨能力差，小波束角探测器探测范围不足的缺点。 2 超声波测距系统 2.1 超声波 超声波是听觉阈值