长江师范学院

本科毕业论文（设计）开题报告

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第二篇：开题报告

南京理工大学

大学生创新性实验项目

开题报告

             项目名称  高精度超声波测距仪设计

          专业      电子科学与技术

          姓名      戚佳佳 唐丛林 郝璇

          指导老师  顾国华

　一.研究目的与意义

    随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域，目前典型的非接触式方法有超声波测距，CCD测距，雷达测距，激光测距等，其中，CCD测距具有使用方便，无需信号发射源，同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销。雷达测距具有全天候工作，适合恶劣的环境中进行短距离，高精度测距的优点，但易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性，高单色性，高亮度，测量速度快等优势，但其成本高，数据处理复杂。

与前几种测距方式相比，超声波测距的环境介质可为空气，固体或液体等，适用范围广；对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗，有灰尘或烟雾，电磁干扰强等恶劣环境中，可以降低劳动强度；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。在液体测量，移动机器人定位和避障，汽车防撞和曲面仿形检测等领域得到了广泛应用。

    然而超声波测距在实际应用中也有很多局限性，一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响；其他一些因素，诸如环境温度，风速，都影响了超声波测距的精度。提高超声波测距精度具有较大的现实意义。

二.国外有关研究的综述

1992年Figneroa J.F,Lamancusa J.S在《A method for accurate detection of time of arrival:Analysis and design of ultrasonic ranging system》提出一种新的超声回波计时方法，该方法原理是回波时延由峰值时延和相位时延相加而，分别用不同的检测方法得到峰值时延和相位时延，相加后即得到回波的传播时间。这种方法所能达到的精度指标为：18--34米，误差精度2%。

1997年，Kimiyuli等人提出了一种基于像散焦点差探测理论的新的超声波传感器，并证明了它的可行性。

20##年，HanneSElmer利用编码信号对高精度超声波测距系统进行了研究，提出了实现高分辨率的方法。

美国普力赛思公司研制了APRESYS超声波测距仪，实现了高速精确的长宽高测量。

三.国内研究的综述

    近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法，新型超声波换能器研发，超声波发射脉冲选取等方面进行了大量的理论研究，并针对超声波测距的常见影响因素提出了温度补偿，接受回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。

    对于超声波回波信号处理方法（直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声波探测定位系统的精度和反应速度）的研究，童峰等人提出来最小均方自适应时延估计（LMSTDE)的算法，消除了信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响，但该算法计算量太大；Yang Yichun 等提出了基于修正的线性调频变换和相关峰细化原理的精确时延估计快速算法，精确计算相关函数的峰，使得低采样信号的时延估计精度得到提高；程晓畅等人提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法和基于FFT的伪随机码包络相关快速时延估计的算法来弥补计算复杂，时延估计精度差等缺陷。卜英勇等提出了基于小波包络原理的峰值监测方法，可以获得平滑有效的回波包络曲线，进而利用峰值检测法确定回波前沿的到达时刻，具有高分辨率的优点；赵海鸣等提出通过双比较器整形结合软件确定回波前沿的测量方法，在一定程度上消除了由于回波信号强弱变化而造成的测量时间误差，从而提高测量精度；陈先中等提出一种改进型椭圆中心超声回波寻峰的算法，与包络线法和三次多项式法相比，相对误差稳定在0.2%。

    目前国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日益成熟，但作为超声波探测定位的关键技术，它仍是一个重要的研究方向。

    对于超声波换能器的研发（拓宽超声波测距的应用空间），潘仲明等研制了谐振频率为24.5kHz的新型超声波传感器，其作用距离超过了32m，测量误差小于2%，廖一等提出利用弯曲振动换能器改善声匹配，将气介超声波换能器的最大探测距离提高到35m。但对超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。

    超声波发射脉冲的选取存在着测量分辨力和有效作用距离的矛盾，针对此点，程晓畅提出通过选用伪随机二进制序列作为超声波发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法，杜晓等兼顾测距范围和精度，提出通过采用40kHz和20kHz两种超声波同时测距的双频超声测距方法。

两种方法在一定程度上使超声波测距系统兼顾了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍不能满足高精度测量的要求。

    南昌航空工业学院的江泽涛用实验测量了不同的的液体成分下的声速同温度的关系，在数据处理中对超声波传播速度进行实时温度补偿。

    郑丰隆在《提高超声波测距分辨力的一种单片机测量电路》一文中分析了单片机的内部误差及其分辨力，从硬件的角度设计了一种外围电路，提高了计数参考频率，从而提高了仪器系统的测量精度。　

四.超声波测距仪的基本工作原理

    超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间，由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离，即所谓的脉冲—回波方式。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。

    发射电路通常是一个工作频率为40 kHz的多谐振荡器，该振荡器可由555时基集成电路或其他电路构成多谐振荡器电路型式。多谐振荡器受单片机控制，产生一定数量的发射脉冲。也可以直接通过单片机直接产生40kHz的方波，经反相器等元件提高驱动能力，用于驱动超声波发射传感器，并激励超声波在空气中传播，遇障碍物而产生回波。超声波接收传感器通过换能器的压电转换，将由障碍物返回的回波信号转换成电信号，对回波信号处理后送至单片机系统进行时间测量和距离计算。单片机根据脉冲发射时间和接受到回波的时间计算出时间差t，即超声波在空气中传播的时间，由公式S=vt/2，计算出距离S，式中v是超声波在空气中传播的速度。声速在空气中传播是，空气的温度、大气压力、湿度等影响超声波的声速，其中空气的温度对超声波声速影响最大。

五．研究内容

    基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端振荡，发射超声波。超声波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图2—7所示。

         图2—7基于单片机的超声波测距系统框图

这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。

六．研究方法

（一）整体方案的设计

本系统是基于ATMEGA16单片机的超声波测距仪的硬件结构主要由ATMEGA16单片机作为微控制器，电路板供电电路，超声波发射器和超声波接收器，控制、显示及报警电路，中断器，滤波电路等组成。该系统是在按键的步进控制下实现30cm～120cm距离的探测，由555芯片接成多谐振荡器产生40KHz的脉冲信号经驱动电路驱动功率后进如超声波发射器，让其发出超声波。超声波接收器接受到发射器发出的超声波信号后经信号方大、处理比较后进入单片机微控制器，单片机将进行计算分析后在数码管显示模块显示出当前测量距离值。并具有设定距离值报警功能，手动调整报警范围等。软件结构主要由算法特点、程序框图、主程序超声波发生子程序和接收子程序等。最后对电路进行调试并且对误差进行分析。

（二）超声波测距仪硬件设计与实现

    用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。其系统设计框图如图3—1所示（虚线框图电路不在机器内部PCB电路板上）。整个电路可分为电路板供电电路，超声波发射接收电路，控制、显示及报警电路三个大的部分。

交流220V的市电经经变压、整流滤波、稳压的处理后输出±12V和+5V的恒定直流电压供应整个电路各个部分电源使用。脉冲产生电路产生的40KHz的脉冲信号经驱动电路驱动功率后进如超声波发射器，让其发出超声波。超声波接收器接受到发射器发出的超声波信号后经信号放大、处理比较后进入单片机微控制器，单片机将进行计算分析后在数码管显示模块显示出当前测量距离值。并与从按键处设定的报警上下限值进行比较，当超出其所设定值时，报警电路将启动，红色警报灯点亮。

1.硬件部分主要由电源、超声波发射电路、超声波接收电路、控制部分及报警电路五部分组成。

（1）电路板供电电路的设计

电路板供电电路如图3—2所示，220V的市电经变压器变压后输出两路交流15V电压，此电压经整流、滤波处理后输出±15V直流电压，分别经三端集成稳压芯片U1（7812）,U2（7912），输出恒定的+12V电压和-12V电压，这两路电压提供运放芯片所需电源及PCB板电路部分需要电压。+12V电压经U3(7805)后输出恒定+5V电压，供应单片机、555芯片等芯片所需电源。

（2）发射接收电路的设计

超声波发射接收模块电路如图3—3所示，单片机PD7端口控制脉冲产生电路的启动与否，脉冲产生电路由555芯片接成多谐振荡器，选取合适的元器件参数，U4(555芯片)第三脚将输出40KHz的矩形波脉冲信号，此信号经反相器U5(CD4049)接成的驱动电路后进入超声波发射器，由电压信号转换为机械信号，发射出超声波。555芯片输出

信号同时将此信号反馈到单片机PD3端口，当单片机接收到此脉冲信

号的上升沿，将触发其内部定时技术器工作，开始测距。此反馈接法也调高了测距精度。超声波接收器接到发射器产生的超声波信号后（正弦波）经运放芯片U6(LM358)两路放大后输入运放芯片U7(LM311)的同向输入端进行信号比较，反向输入端的基准电压信号通过调节精调电位器VR2获取，此电压调节电路即超声测距仪测量灵敏度调整部分。U7同时具有去除干扰信号等功能。经电压比较后的得到+12V矩形波脉冲信号经反相器U5将得到+5V的矩形波脉冲信号，输入单片机PD2端口触发中断，单片机内部计数器停止计算。对所测距离进行计算分析。J2,J3端口连超声测距仪后面板的超声波发射接收器。

            图3—3超声波发射接收模块原理

（3）控制、显示及报警模块的设计

超声测距仪采用ATMEGA16L单片机作为微控制器。其控制电路图如图3—8所示。I/O口PA和PB部分端口分别连接前面板四位数码管的段选端和位选段。ATMEGA16L单片机内部具有上拉电阻，具有很强的带负载能力，因此I/O端口未加三极管驱动电路便与LED数码管相连，而限流电阻放置于前面板的数码管段选端上，减少PCB板的元器件数。J6端子座连接前面板的按键模块。J7为单片机JATA接口，使超声测距仪具有产品程序维护，升级功能。

显示部分采用LCD液晶显示，应用HIX 4 708兼容的61 x Z液晶显示模块，在图中为了适应LCD液晶模块的接口需要,在印数据地址复用总线上扩展了74 SL 373作为8位地址锁存器,产生LCD模块读写所需驱动信号的输人信号AO、lA.图中LCDI N为液晶块地址选择口线。

超声测距仪的报警电路如图3—9所示。当所测量距离范围在报警设置值内，单片机PC7端口将输出高电平控制继电器的导通。此时报警指示灯点亮。继电器输出端子座连接超声测距仪前面板的报警接口，此报警接口可外接电路设备（如电动机）作为超声测距仪的扩展功能。

2.超声波测距仪控制单元包括中央控制处理单元（单片机）、按键输入、显示、输出，报警及执行单元五部分构成。具体工作原理简述如下：

（1）中央控制处理单元：本单元选用了功能强大的ATmega16L微处理器，为了对超声波传感器进行灵活控制，我们将控制单元部分独立出来设计成控制单板的形式。可以根据设定的工作模式，控制产生40KHz方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一（上面是仪个竹字头下满式民族的族）信号，与此同时，单片机开始计时。接收端将

收到的微弱回波信号检出，送选频放大电路放大，经输出比较产生脉冲输出送单片机中断系统，单片机收到中断信号后停止计时，并通过计算得到距离送显示，或作为报警和执行单元动作的依据。

（2）按键和显示部分。我们采用独立式按键控制的输入系统（采用中断方式），由PB0和PA0～PA3口接共阴极数码管实现控制显示和所测结果显示。

（3）输出报警。本系统采用蜂鸣器和报警系统，若应用于汽车倒车系统中，可软件控制产生倒车雷达提示，规律是离障碍物越近，则报警声音频率越快。

（4）执行单元。本系统采用简单的继电器控制电路，来模拟实际的执行机构的控制过程。本系统设计电源部分是将220V交流市电经变压、整流、滤波，再经相关稳压电路输出+5V，+12V,-12V等稳压电压输出供传感器工作。

（三）超声波测距仪软件设计与实现

1.软件功能分析及算法特点

超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成，由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动

的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。

2.程序框图

开始端口初始化设置后，开始发射超声波，待接收到超声波发射反馈信号后进入外中断INT1中断程序，置位标志位后跳出死循环；延迟200us，待接收到超声波接收信号进入外中断INT0中断程序或者是定时计数器T1计满溢出进入相应中断程序，置位标志位后跳出死循环显示；开始进行计算,后将值显示。然后再判断是否再报警距离以内，

报警与否；接着按键扫描，判断是设置报警下限还是报警上限，是步进加1cm还是步进减1cm，最后延迟显示；不断循环。

（四）提高精度的方案----温度校正的方法提高测距精度

    超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：

 

由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下：

式中C0=331.4m/s；T为绝对温度，单位K。

此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降1℃,声速将增加或者减少0.607m/s，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。

参考文献

牟海荣《超声波测距仪的设计》

陈勇《超声波测距仪电路及程序设计》

王莹《高精度超声波测距仪的研究设计》

邹轶《高精度超声波测距系统的设计》