[工学]基于单片机超声波测距仪.doc
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1、东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 摘要摘 要随着社会经济的发展和交通运输业的不断兴旺,汽车的数量在不断的增加。交通拥挤状况也日益严重,撞车事件也经常发生,造成了很多不可避免的人声伤亡和经济损失,面对这种情况,设计一种响应快、可靠性高并且比较经济的汽车防撞预警系统显得非常的重要。超声波测距法是一种最常见的距离测量方法。本文介绍的就是利用超声波测距法设计一种倒车防撞报警系统。首先,论文在分析超声波的物理特性、超声波传感器的特性、超声波测距原理等基础上,结合本课题,给出了几种测量方案的比较,对影响本系统测量精度的因素和干扰进行了详尽的分析,制定了相应的解决措施;其次,在硬件选择方面,选择性价比高
2、的AT89C52单片机、LM324放大器、采用低压差线性电压稳压器、较高内阻的压力传感器;在软件方面,采用了功能模块化,为以后的升级或者扩展做准备。同时采用间歇式的工作模式,非采样期间只有显示器、稳压器等处于活动状态;在保证性能要求的情况下有效的提高了器件寿命。为了降低整个系统的成本,在满足性能要求的前提下,选择低成本元器件,简化系统设计;采用多点校准技术和线性插值方法,降低了对传感器的线性的要求,扩大了可选传感器的范围,提高了产品的通用性和可扩展性,提高了产品的竞争力,从发射探头到接收探头的那一段“敏感时间”,采用了“延时接收”的方法,进行了测试试验。研究表明,系统运行稳定,在0.07m一5
3、.50m的测量范围内误差小于1cm,实现了预期要求。关键词:倒车防撞;超声波测距;超声波;AT89C5229东华理工大学长江学院毕业设计(论文) ABSTRACTABSTRACTWith the social and economic development and transportation continues to boom, the automobile quantity climbs in the first mate. Traffic congestion condition also day by day serous, the collision event occurred
4、repeatedly, has caused the inevitable person casualties and the economic loss, in view of this kind of situation, designed one kind to respond quickly, the reliability was high also a more economical automobile guards against hits the early warning system imperative, the ultrasonic wave range findin
5、g was the most common one distance range finder method, this article introduces is guards against using the ultrasonic wave range finding design one kind of reversing collision avoidance system.First,a particular introduction of the physical characteristic of the ultrasonic and characteristics of ul
6、trasonic sensors in this paper. Combining with the characteristics of the subject, several schemes of measurement are put forward and fully analyzed in term of error, advantage and disadvantage .The factors and interferences which will make an effect in measurement accuracy are analyzed at large and
7、 the solution is put forward. Second, In the hardware aspect, the AT89C52 MCU with low capability/price ratio, LM324 amplifier, LED monitor, and pressure sensor with higher resistance are used to build the system, and a low linear voltage regulator is chosen to lower the voltage supply of the whole
8、system. As for the software design, preparing for update or the expansion later, the design has used the sub-sequencing functions, according to the modules realization request. Enhancing the To avoid the sensitive time in which ultrasonic transmit from transmitter to receiver directly, the method of
9、 receiving lapsed is adopted. Experimental results show that the operation of the system is stable. From 0.07 cm to 5.50m, the system measurement error is less then l cm, the results agree well with our demands.Key words: reversing collision avoidance; Ultrasonic Distance Measure; ultrasonic wave; A
10、T89C52东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 目录目 录1 绪论1 1.1 论文研究的背景和意义1 1.2 超声波测距领域的历史和国内外发展现状1 1.3 本课题的研究方法32超声波测距的基本理论及测量方案的选择4 2.1 超声波的定义42.1.1 超声波的波型42.1.2 超声波的传播速度42.1.3 超声波测距的原理5 2.2超声波传感器介绍6 2.3 方案选择的论证和选择72.3.1 设计方案一72.3.2 方案设计二82.3.3 方案设计三82.3.4 方案设计四93超声波测距系统设计10 3.1超声波测距系统的硬件设计103.1.1 AT89C52单片机的介绍103.1.2 单片
11、机系统及显示电路123.1.3 超声波检测接收电路133.1.4 超声波发射电路14 3.2 PCB电路的抗干扰处理15 3.3系统软件程序设计153.3.1 超声波测距器的的算法设计153.3.2 系统的主程序163.3.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序17 3.4 系统的软调试及性能分析184误差分析19 4.1 超声波回波声强的影响19 4.2 超声波波束入射角的影响19 4.3 超声波传播速度的影响20总结21致 谢22参考文献23附录一 原理图24附录二 源程序25东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 绪论 1 绪论 1.1 论文研究的背景和意义 测距的原理和方法有很多,根据
12、信息载体的不同可分为光学方法、无线电方法和超声波方法。随着电子技术的发展,先后出现了激光、超声波及红外线等非接触式测距方法。激光测距虽然测距精度高,操作简单,但是受环境的影响比较大,且系统检测维护不便,价格相对昂贵,一般多在军事领域应用。红外测距属于电磁波的一种,超声波是声波测距,实现起来更容易且不受电磁干扰影响。红外传播速度为3108m/s,超声波在空气中的传播速度为340m/s,其速度相对电磁波是非常慢的,因此在同等距离的情况下,超声波的传播时间远大于红外,往返时间更易测量。超声波在测距方面具有以下突出的优点: (1)环境介质可为空气、液体或固体等,适用范围广泛; (2)对外界光线和电磁场
13、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; (3)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; 由于超声波具有以上特点被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。在超声波探伤、自动泊车系统和倒车雷达系统中,超声波测距有其重要的应用。随着科学技术的发展,超声波测距技术在国防、汽车工业及日常生活中无处不在。目前超声波测距系统主要是采用微处理器为核心,使用微处理器内部的计时器计时,并结合温度补偿声速等处理手段提高测距精度。但由于超声波传播时间难于精确捕捉,温度对声速的影响等原因,使得超声波测距的精度受到了很大的影响,限制了超声测距系
14、统在测量精度要求更高的场合下的应用。由于微处理计时精度有限和硬件设计的束缚,现有超声波测距系统在测量范围为0.2m-20m的范围内,测量误差多为mm级,20cm以下基本为系统的测量盲区。现有超声波测距系统不仅测量范围有限制,且测量精度有限。超声波测距仪虽然原理简单,但是由于超声波测距受到许多外界因素制约,包括所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度,环境温度等等,如何选择合适的方法提高精度是技术开发的重要瓶颈,国内外的学者在提高超声波坝J距精度方面做了大量的研究。面对广阔的市场空间以及日益苛刻的测量要求,如何提高适用范围和测距精度就成为了当前超声波测距设备开发的关键所在。 1.2 超声波
15、测距领域的历史和国内外发展现状 一般认为,关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验,这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中,超声波仍然是一个鲜为人知的东西,由于当时电子技术发展缓慢,对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中,对超声波的研究逐渐受到重视。法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。 1929年,Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔2年,1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利,不过他并未做更多的工作。
16、4年之后,1934年Sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果,他用了各种方法做了实验,用来检测穿过试件的超声能量,其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Bergmann在他的论著ULTRASONIC中,详细的论述了有关超声波的大量早期资料,该论著一直被认为是该领域的经典之作。 美国的Firestone和英国的Sproule首次介绍了脉冲回波探伤仪,使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中,这是最成功的一种,因为它有最广泛的通用性,其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外,还可与采用先进技术的自动系统联用,自第一种脉冲回波仪器
17、问世以来,根据相同的原理,有无数种其他仪器得到了发展,并有许多改进和精化。目前,在超声无损检测中,脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。 HuaHong, Wang Yongtia阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波,基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系,用相位差法测量传感器之间的动态距离。文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。实验结果表明,该系统在15m的测距精度可达到1 mm。 中国测试技术研究所的李茂山在超声波测距原理及实践技术中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件,测量超声波行进于待测
18、距离所耗费时间的超声波测距原理。文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素,给出了超声波测距的框图。作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。 浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统。作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计,硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89C2051单片机控制电路等。作者还分析了造成料位测量误差的几点原因,并给出了几种方法来减少测量误差。比如:在计数电路设计中,采用了“延迟接收,信号分离”的技术和相关计数法减小了计数误差,对于声速的测量误差,使用温度补偿法,在软件设计中采用了查表
19、的方法,由单片机实现自动补偿校正。文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。 声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用,超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关,其中温度的影响最大,因此需要对其进行补偿。中国海洋大学的曹玉华在超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用提出了采用温度补偿的方法测量声速,来提高超声波测距精度。文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS 18B20测量环境温度,用以温度补偿以修正超声波速度,来减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在 1.5m的测量范围内,测量误差小于5cm。
20、山东科技大学的王红梅在高分辨力超声测距系统的研究中研究了己有超声波测距系统的优缺点,采用超声波多次发射,以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度,并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。为了提高仪器的分辨力,还采用了若干方法来减小随机误差。本文所设计的超声波测距系统在测量范围1cm10cm,精度可达到0.5%,分辨率优于0.1mm。 1.3 本课题的研究方法本设计选用TCT40-16T/R超声波传感器。了解超声波测距的原理的,只有对理论知识有一定的学习才能运用到实际操作中。根据原理设计超声波测距仪的硬件结构电路。对设计的电路进行分析能够产生超声波,实现超声波的发送和接收,从
21、而实现利用超声波测距的方法测量物体之间的距离。具体设计一个基于单片机的超声波测距器,包括单片机控制电路,发射电路,接收电路,LED显示电路。东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 超声波测距的基本理论及测量方案的选择东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 超声波测距的基本理论及测量方案的选择 2超声波测距的基本理论及测量方案的选择 2.1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的,并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应,能引起人们听觉的机械波频率在20Hz-20KHz,超声波是频率大于20KHz的机械波 在超声波测距系统中
22、,用脉冲激励超声波探头的压电晶片,使其产生机械振动,这振动在与其接触的介质中传播,便形成了超声波。 2.1.1 超声波的波型 由于声源在介质中施力的方向与波在介质中传播的方向可以相同也可以不同,这就可产生不同类型的声波,超声波的波型主要有以下几种: (1)纵波 当介质中的质点振动方向和超声波传播方向相同时,此种超声波为纵波波型,以L表示。任何介质,当其体积发生交替变化时均产生纵波。由于纵波的产生和接收都较容易,所以纵波在超声波检测中得到了广泛应用。 (2)横波 当介质中质点振动方向和超声波的传播方向垂直时,此种超声波为横波波型,以T表示。因为液体和气体中缺乏横向运动的弹性力,所以横波不能存在,
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- 工学 基于 单片机 超声波 测距仪
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