单片机的超声波测距系统的研究与设计.docVIP

第1章 绪论 1.1课题背景目的及重要意义 随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。 超声波测距与其它非接触式的检测方式方法相比，如电磁的或光学的方法它不受光线，被测对象颜色，电磁干扰等影响。超声波对于被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。因此在液位测量，机械手控制，车辆自动导航，物体识别等方面有广泛应用。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，具有很高的分辩力，因而其准确度也较其它方法高，而且超声波传感器具有结构简单，体积小，信号处理可靠等特点。 超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波。它在介质中传播的距离较远。因而超声波经常用于距离的测量，可解决超长度的测量。 超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，反射，折射，干涉，衍射，散射。与物理紧密联系，应用灵活。并且更适合与高温，高粉尘，高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。 超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。 在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用课程设计目的是单片机原理与接口技术课程设计是在教学及实验基础上，对课程所学理论知识的深化和提高。通过单片机原理与接口技术的课程设计,使学生初步掌握设计的基本方法。 培养学生分析问题和解决问题的能力；培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力。 1.2国内外研究现状 目前国内的超声波测距仪技术落后产品功能低端，专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因，提高测量时间差到微秒级，以及用LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后，我们设计的高精度测距仪超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。 国外超声波测距仪技术领先，产品齐全，性能比较稳定，市场需求量大，测量精度高，测量误差小。 1.3论文研究思路及创新点 1.3.1主要思路 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力里的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20KHz以上的机械波)，借助媒质传播由被捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性，电子计数，光电开关相结合来实现非接触式距离的测量方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量，过程检测，机器人检测和定位，以及流体液面高度测量等。 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的工作方式利用超声波测距的工作, 就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔, 从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法: (1) 相位检测法, 相位检测法虽然精度高, 但检测范围有限; (2) 声波幅值检测法, 声波幅值检测法易受反射波的影响; (3) 渡越时间检测法, 渡越时间检测法的工作方式简单, 直观, 在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为: 发射传感器发射超声波, 经气体介质传播到接收传感器的时间,这个时间就是渡越时间。本设计的超声波测距就是使用了渡越时间TOF(time of flight)检测法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源于障碍物之间的距离。 测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为334.5米/秒(由于超声波速度受温度影响比较大