超声波测距仪设计学士学位论文Word格式.docx
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第一章绪论
1.1课题背景及意义
利用超声波测量己知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波测距法。
利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力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），借助空气媒质传播由被待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测量的方法。
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。
超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法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，因此它是一种非接触式的测量所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。
比如要测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之间的距离。
目前基于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。
本文结合超声波精确测距的需要，分析了影响超声波测距精确的多种因素，进行了系统的硬件设计和软件设计，来有效提高超声波测距系统的精度。
1.2国内外发展状况和需改进的地方
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。
这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。
目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。
此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。
国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。
对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高测距精度。
目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。
《超声波测距精度的探讨》[1]一文中提到测量回波用到门限值的方法来测量回波的真实时间。
选取一定的门限值，接收回波的包络线大于门限值时确定为回波到达的时间。
回波的第一个周期的峰值作为测量标准，以该值的75％作为门限值，测出时间，由此计算出超声波真实的到达时间。
此方法对第3个波近似计算为波峰的75％，所以对精度要求较高的测量并不足够。
《超声波测距误差分析》[2]认为收发换能器分离比一体化更减少盲区距离。
提出减小盲区的改善措施可以减少发射波串的长度，发射波频率增高，波长减小，可以减少绕射，还可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。
这些措施也有一定限度，例如：
发射波串的长度过短将使得发射换能器激振达不到最大值或不能被激振。
发射波频率加高受到换能器特性限制，同时，发射波频率加高使超声波在媒介中的衰减大幅度加剧，使作用距离下降。
《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》[3]提出一种比较有效的测量回波方法。
它对回波包络线进行峰值检测作为回波时间点。
传统的测量方法，以接收信号的幅值超过系统所规定的阈值时的时刻作为停止计时信号。
时间检出点是随距离变化而变化的，这种“时间检出点”的变化就产生了距离测量的误差。
针对回波信号的特点，采用峰值时间点检出方法，首先回波将经过放大、滤波后的回波信号进行线性包络检波，然后对检波的输出信号进行微分处理，最后对微分电路的输出进行零点交叉检测，即可得到回波信号的峰值时间，此时无论被测距离远近，即在回波信号包络线的峰值点。
《一种高精度超声波测距处理方法》[4]提出一种基于归一化包络曲线方程的抗起伏信号处理方法。
处理步骤为：
1．用一定的检测方法计算出方程中的起伏参数：
2．根据包络方程推算出回波的理想前沿；
3．得到准确的声波传输时间；
4．乘声速除2即得距离。
这种方法从软件算法上计算回波时间点，过程过于复杂，有效性不清楚。
不如《高精度的超声波测距系统在移动机器人导航方面的应用》的方法简洁。
且对于本系统指令响应要求高，单片机存储空间有限，较复杂的算法并不适用于本系统。
《用于微地形探测的超声波测距系统》[5]通过软件编程和硬件方法，在绕射波有效阶段封闭CPU中断申请，躲避有效干扰。
此方法能解决超声波绕射问题，但是会增加盲区范围。
此文论述到处理这种串绕信号一般有两种方法：
（1）通过软件编程从开始发射到虚假反射波结束时清零，从而使其不会向CPU发出中断申请，即可有效躲避干扰。
（2）采用74LS74A构成双D触发器，使比较后的信号仅在超声波反射时间内输出为高电平，在从发射到接收到虚假反射波这段时间内置0，从而在接收到串绕信号时也不会发出中断请求。
通过这两种方法都能够有效地躲过串绕信号，但同时也会形成盲区，系统的盲区约为lOOmm左右。
对于本系统并不适用。
《自动增益电路在超声波测距系统中的应用研究》[6]提出自动增益补偿电路使误差控制在0．2mm至0．5mm之间，并减少测距盲区，盲区范喇为6-7cm。
此方法对提高精度和减少盲区都较有效。
在软件编写的动态改变发射功率时可以作参考。
简而言之，综述研究现状，虽然某些研究方法仍存在不足和困难的地方，但也可看到一些优秀的测量方法，应取其精华，去其糟粕。
但总的来说，论文中系统的盲区范围较大，一般有lOcm左右距离，个别较好的有4-6cm距离。
根据超声波测距的原理，设计了以51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系统，考虑到单片机测量精度受到内部主振频率或参考频率的限制，从硬件电路设计角度出发，采用了一种单片机外部硬件扩展计数电路，通过升高计数的参考频率来提高了测距系统的计时精度，以最终提高了系统的计时精度。
经过实验分析，效果良好。
为了进一步提高超声波测距仪的测量精度和分辨力，又进行了设计改进，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，可有效地消除温度变化对精度的影响，从而提高了超声波往返时间的测量可靠性。
第二章超声波测距原理
2.1超声波简介
超声波[7]简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。
一般而言是指声音超过了20KHz时称之为超声波。
与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。
因为电磁波的传播速度为
m/s，而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。
超声波在相同的传播媒体里（如大气条件）传播速度相同，即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的:
（2.1）
（2.2）
在公式中，A（x）为振幅，Ao为常数，w为圆频率，t为时间，x为传播距离，k=2∏/λ为波数，A为波长，a为衰减系数。
衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:
（2.3）
式中，a为介质常数，f为振动频率。
在空气里，a=
s2/cm，当振动的声波频率f=40kHz（超声波）代入式（2.3），可得a=
/cm，即1/α=31m；
它的物理意义是:
在（1/a）长度上，平面声波的振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。
声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。
考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率f=40kHz的超声波。
二超声波的传播速度
纵波、横波及表面波的传播速度取决于介质的弹性常数以及介质的密度。
1.液体中的纵波声速：
（2.4）
2.气体中的纵波声速：
（2.5）
式中：
K--体积弹性模量---热容比P--静态压力ρ--密度
例：
T=0°
C，超声波在空气中的传播速度C1=331.45m/s,
C=331.45+0.61T（m/s）（2.6）
式中T:
°
C
2.2超声波传感器
超声波传感器是近年来出现的用于超声控制元件，它分为发射器和接收器。
发射器将电磁振荡转换为超声波向空间发射，接收器将接收的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。
实质上是一种可逆的换能器，即将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波；
或者由超声波能量转换为电振荡。
常用的传感器有T40-XX和R40-XX系列，UCM-40T，UCM-40R等，其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，40为中心频率40KHz。
T/R40的特征参数如表1所示。
表1T/R40的特征参数图
型号
T/R40-16
中心频率
40±
1KHz
发射电压
大于115DB
接收灵敏度
大于-64DB/V/ubar
-6DB指向
50deg
电容
2400±
25%
允许输入电压
20V
总体上讲超声波发生器可以分为两大类：
1）使用电气方式产生超声波；
2）是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；
机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各有不同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器，其又可分为两类：
（1）顺压电效应：
某些电介物质，在沿一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；
当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转换为电能的现象称顺压电效应（超声波接收器的工作原理）。
（2）逆压电效应：
在电介质的极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种将电能转换为机械能的现象称逆压电效应（超声波发射器的工作原理）。
2、工作原理
当40KHZ的脉冲电信号加在超声波发射器上，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号以疏密波的形式向外发射出去。
（锥形辐射器控制超声波的发射角度）
接收器在收到由发射器传来的超声波后，使内部的谐振片谐振，通过声电转换作用将电能转换为电脉冲信号，由于该电脉冲的信号幅度很小（μV级）经信号放大器放大，最后驱动执行器使电路工作。
常用的超声波传感器的谐振频率（即中心频率）为23KHz，40KHz,75KHz,200KHz,400KHz等，谐振频率高，在相同发射功率的前提下检测距离短，但分辨力提高。
2.3超声测距原理
测距是立足于声速在既定的均匀媒介传播速度有一恒定数值，不随声波频率变化的特点。
超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来，若要求测距误差小于0.01米，那么测量时间的误差必须小于30微秒。
因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。
本文的硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为:
检测从超声波发射器发出的超声波（假设传播介质为气体），经气体介质的传播到接收器的时间即往返时间。
往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。
根据选择的超声波传感器的不同，其工作原理也相应有所不同。
如收发一体的传感器，其工作原理图如图2.1所示；
收发分体超声波传感器，其工作原理图如图2.2所示。
根据图2.2通过测量发射与接受装置之间的距离h利用直角三角形可求得：
（2.7）
而所测距离是声波传输距离的一半，即:
（1）
（2.8）
图2.1收发一体式换能器工作原理图
图2.2超声波测距原理
在上式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为往返时间（其中所测量的t为超声波走过2s路程所需的时间。
但由于超声波的速度比较快，在测短距离的时候，将其作为超声波走过2L路程的时间）。
若要求测距误差小于1cm，已知声速v=344m/s（20℃时），显然，直接用秒表测时间是不现实的。
因此，实现超声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。
对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。
检测脉冲计数法:
脉冲检测法是对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。
本文采用的是脉冲检测计数法。
这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高[9]。
实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阈值在比较器的输出端就会产生正负电平的变化，再通过三极管的截止和饱和的两种状态来产生高低电平的变化。
利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的时间。
在本系统的软件设计过程中，采用的是查询方式来检测是否接收到了回波信号。
2.4盲区处理
盲区处理是超声波测距的重要技术环节，盲区范围大小是衡量测距系统性能的重要指标。
在利用超声波测量两点间的距离时，对近距离测量要求高，因此盲区处理更为关键。
盲区的形成是为解决超声波自身绕射问题而延伸出的另一问题。
虽然增大超声波换能器之间的距离能减少盲区范围，但是由于受整个系统体积所限，而且增大超声波换能器之问的距离使回波容易发散，所以本系统超声波换能器的之间距离要尽量缩小，有部分波未经反射物就直接进入到接收换能器，形成绕射现象。
第三章超声波测距系统硬件设计方案论证
3.1方案一
本方案使用的单片机是stc89c52，它经济易用，且片内有8K的ROM，便于编程。
在超声波产生电路的设计中，首先通过软件编程的方式由单片机的P0.0口来产生40KHz的脉冲信号，再经过三极管8050和变压器进行功率放大。
在变压器副线圈上将电压10倍放大，这时在超声波传感器发射端上加载的正弦电压幅值约为100V来驱动超声波发射端UCM40T，发出40KHZ的脉冲波信号，且持续发射200us。
接收端采用与发射端配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号。
在接收电路中设计了前置放大、带通滤波（中心频率f0=40KHz）、自动增益控制（AGC）电路和整形电路。
前置放大前置放大、自动增益控制（AGC）电路把微弱回波信号放大了200倍以上，足够满足后面整形电路的需要；
带通滤波电路为滤波效果比较理想的高Q值、窄宽带的二阶带通滤波器。
由于超声波回波信号随着被测距离大小的变化，其幅值变化也很大，必须经过增益控制，以满足整形电路的要求。
实现增益随时间呈指数变化的AGC电路有多种,设计了通过软、硬件结合的AGC电路,它是由可编程放大器AD620AN、数字电位器MAX5400结合单片机联合实现[9]。
3.2方案二
在此方案中，仍然采用stc89c52作为超声波测距系统的中心。
但是采用555芯片来产生40KHz的超声波信号，并且通过单片机的一个I/O口来控制555芯片是否振荡。
然而要想利用超声波测得的距离越远其发射功率也就需要更大，增大功率的方式有增大电流或是增大电压的方式。
在驱动电路中采用的是非门CD4069构成推挽式的电流放大电路，通过提高CD4069的工作电压的方式来将电压增大，进而增大发射功率。
在超声波接收放大模块中，采用的是专用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。
内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成，可以利用它作为超声波检测电路。
接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；
再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；
最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时[11]。
3.3方案三
在此方案中，采用STC989C52单片机作为超声波测距的核心部分。
在超声波产生电路中，主要是利用单片的I/O口P0.4来控制555芯片的4脚。
当P0.4为低电平时，555芯片不工作；
当P0.4为高电平时，555芯片构成了多谐振荡器从而在3脚输出40KHz的脉冲信号。
在超声波发射电路中采用的是CMOS系列的与非门CD4069构成推挽式的反向放大电路，同时也可以通过加大CD4069的工作电压的方式来进一步增大发射功率。
在超声波接收放大部分，采用的一阶RC滤波电路和运放TL084构成的放大电路。
由于超声波接收器接收的信号幅度为毫伏级，因此采用将接收到的信号先滤波后放大的处理方式。
在放大电路的设计中，为了避免由于增益过大造成运放的自激振荡，而采用两级放大的方式，放大倍数为400多倍。
然后经过峰值检波后转化为直流信号，在经过电压跟随器、电压比较电路和利用三极管的截止与饱和状态来获取所需要的电平送至单片机处理。
在超声波发射的同时，启动单片机内部的定时器T0用作计数方式，利用定时器T0的计数功能记录超声波从开始发射到接收到信号的时间。
当接收到超声波的反射波时，接收电路的输出端就会产生一个负跳变，即在P0.1口将由高电平变为低电平，从而来停止T1计数，然后通过相应的计算来算出所测距离并显示。
3.4方案确定
超声波测距系统从理论上说是发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一只发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。
但是，每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。
发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。
最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
在方案一中，采用单片机的I/O口来做超声波的产生电路，在发射超声波的同时将无法即时开启计数器来准确计算超声波从发射到接收所用的时间，这样将会带来较大的误差。
另外采用变压器的方式来增大发射功率，使得加载在超声波传感器的电压为100V，而且在超声波接收电路中采用自动增益的方式，这样可以利用超声波来近距离测量以及测量较远的距离。
但是在本课题的技术指标中要求的距离为4cm-4m，当采用此方案时，其发射的功率远远超出所需要的功率，造成性价比下降，而且U=100V可能超过了超声波传感器工作电压的极限值，将对传感器内部造成损伤。
同时也可能会给使用者带来造成触电的危险，而且变压器的体积比较大，在使用时也会带来许多不便。
在方案二中，通过使用单片机的I/O口来控制555芯片工作与否的方式来发射超声波，这就使得在计数时能够获得比方案一更准确的数据。
另外还使用了专用集成芯片CX20106A和锁相环电路，使得在频率上能够很好的锁定f0=40KHz的信号，抗干扰的能力较强，但是在采用这种方案将会大大提高设计成本。
而且使得设计的硬件系统更加的复杂。
方案三在超声波发射电路中采用了和方案二相同的电路，只是在超声波接收部分的电路上有很大的不同。
在此方案中，考虑到超声波传感器的一些特性（即只有在40KHz左右的信号能够通过传感器，其它频率信号其衰减较快），因此在滤波电路中，只是采用RC电路构成滤波电路。
在信号放大模块的电路中，考虑到传感器所接收到的信号幅度为毫伏级以及运放在增益过大时容易造成自激振荡的特点，所以在设计时采用了两级放大的模式，最终放大400多倍，而且直接通过硬件就可以实现，使得在设计上比方案二较为简单。
另外，通过由二极管和电容构成峰值检波电路以及运放和三极管构成电平转换电路，其实现上较为简单，成本也较低。
在此方案中要求在峰值检波时要考虑延时时间的合理取值，而且在运放选择时一定要使用高速型运放，这样当接收到回波信号时，就能很快转换好，使得测量的时间较为准确。
在本系统设计过程中，经过综合考虑和比较后，最终采用了方案三来实现超声波测距硬件系统的设计。
第四章超声波测距系统硬件设计思路及调试
4.1设计要求
利用超声波换能器和单片机设计一种非接触式测距仪，该装置的测量距离为4CM---4M，并且具有温度补偿、测量准确、性能可靠性等优点。
1、掌握超声波传感器的工作原理并设计超声波发射器与接收器的工作电路。
2、测量距离为4CM---4M，测量误差≤1CM。
3、温度补偿范围：
-20--500C。
4、实时显示实测距离、温度。
4.2超声波测距系统的结构框图
通过对方案的比较和论证及设计要求的领会，将超声波测距仪硬件设计电路分成了：
超声波产生电路模块、驱动电路模块、超声波接收放大电路模块、峰值检波模块、电压比较模块、电平转换、温度补偿模块、数据采集系统控制模块和数码显示这九个模块来实现。
最后制订了本次毕业设计超声波测距系统的硬件结构框图，如图4.1所示：
接收
渡越时间
按键控制
发射
温度
补偿
4.3各功能模块电路介绍
4.3.1超声波产生电路
在本系统中利用555定时器构成多谐振荡器产生40KHz的超声波。
图4.2为555定时器构成的多谐振荡器，复位端4由单片机的P0.4口控制，当单片机给低电平时，电路停振；
当单片机给高电平时电路起振。
接通电源后，电容C2来不及充电，6脚电压Uc=0，则U1=1,555芯片内部的三极管VT处于截止状态。
这时Vcc经过R3和R2向C2充电，当充至Uc=2/3Vcc时，输出翻转U1=0，VT导通；
这时电容C2经R2和VT放电，当降至Uc=1/3Vcc时，输出翻转U1=1。
C2放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。
其振荡周期与充电时间tPH和放电时间tPL有关，振荡周期为：
（4.1）
（4.2）
由公式4.2可知，555多谐振荡器的振荡频率由R2,R3,C2来确定[12]。
在电路设计时，先确定C2,R2的取值，即C2=3300pf，R2=2.7KΩ。
再将C2和R2的值带入公式4.2中可知：
为了方便在实验过程中使得555芯片的3脚输出40KHz的信号，在这里将其用10KΩ的电位器代替。
为了增大U1的输出功率，将555芯片
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