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1、1 绪论1.1课题设计目的及意义1.1.1设计的目的众所周知，蝙蝠就是利用超声波原理辨别方向和目标。它们发出高频声波，然后利用目标反射回来的反射波分辨目标的位置和距离。这项技术也可用于工业测量领域随着电子技术的发展,出现了微波雷达测距、激光测距及超声波测距。前两种方法由于技术难度大,成本高,一般仅用于军事工业,而超声波测距则由于其技术难度相对较低,且成本低廉,适于民用推广。随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务1。于是，一种新的测距方
2、法诞生了非接触测距。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。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。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，具有很高的分辨力，因而其
3、准确度也较其它方法为高；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。随着汽车智能化的发展，需要研制出可以在几厘米到几米范围测距的新式传感器，且成本低廉。中国城市汽车的保有量迅速增加。随之而来的是交通事故与日俱增，城市里尤其突出。智能交通系统是二十一世纪交通运输的重要发展方向。智能交通系统(ITS)在充分发挥现有基础设施的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通堵塞改善城市环境等方面的卓越效能，已得到广泛关注。泊车用超声波测距仪着眼于倒车防护，能够实现倒车时有效的避开司能对倒车造成危害的障碍物和行人。有效避免由于倒车造成的经济损失和人身安全问题。国外高级轿车在汽车出厂时就已经安装
4、了同类系统。目前对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。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位2。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。1.1.2设计的意义随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不
5、断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。电子测距仪要求测量范围在0.105.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，
6、因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。利用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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。这就是我设计超声波测距仪的意义3。1.2国内外研究现状超声波测长、测距、测位移有着很长的历史，其优点有易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触。随着计算机技术、自动化技术的发展，测距在工业中变的非常重要。我们目前的非接触式测距仪常采用超声波
7、、激光和雷达，红外线等，但雷达，激光测距仪造价偏高，而红外线测距仪测距距离太短，不利于普遍应用，在某些领域有其局限性，相比之下，超声波测距仪有明显突出的优点，因此超生波方法作为非接触式检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装备及检测、自动测距、无损检测、超声定位、汽车倒车、工业测井、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。目前常用的超声波传感器分两大类，即电声型和流体力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体力型中包括有气体和液体两种类型的哨笛。由于工作频率和应用目的的不同，超声传感的结构形式多种多样的，并且名称也有不同
8、。由于超声比指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播比较远，公式简单易算，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波测量往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多为笨重的电子管式仪器。五十年代末六十年代初国内科研单位引进了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20kg，该仪器性能稳定，波形清晰，但为普及。1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，无损检测技术开始有计划有目的的研究阶段。随着电子技术的飞速发展，半导体元件逐渐
9、代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是有晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，重约10kg。七十年代，英国CN.S公司推出仅有3.5kg重的便携式超声仪4。1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪，该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重约5kg。同期研制出的超声波检测仪还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪，从此我国有了自己生产的超声波仪器。超声波仪器研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的Z000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作在微处理器的控制管理下，所有测
10、量值，处理结果，状态信息都在显像管中显示出来，并且可以打印。其波形和数字都比较清晰稳定，操作简单，可靠性强，具有断电储存功能，与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到国际先进水平。2001年创新不断，徕卡测量系统又创立了新的技术标准，率先在手持激光测距仪上采用字母数字式混合键盘。新一代迪士通成为迪士通发展历程上新的里程碑。它包括四类产品：徕卡迪士通lite、迪士通classic4、迪士通pro4和迪士通pro4a。2002年徕卡测量系统推向市场的第五代迪士通产品中，新增了两款独特的型号，徕卡迪士通lite5和classci5。一键按发使测量变得前所未及的简
11、单便捷，在0.2m到200m之间，单次测量时间用不到1秒！用lite5，每项工作如测距、计算面积或体积都能用已明确定义的按键轻易实现。classic5则以轻触式的键盘和为方便长距离测量而内置的望远镜给人留下深刻印象无论在国外还是国内利用超声波测距的理论已经非常成熟，国内与国外相比，在测量精度上还有一些差距。目前国外超声波测距的精度可以达到1cm或1，而国内超声波测距精度目前只能达到2cm或1.5。影响精度的因素除了超声波传感器本身的制作工艺外，还有超声波发射和接收电路与主控模块的时序控制不协调的原因。目前，市场上大部分的超声比测距系统都是采用传统的单片机作为主控单元来进行系统的开发，随着人们对
12、引起测量误差因素的认识以及解决方法的提出，电子技术以及智能控制的进一步发展，需要超声波测距系统具有对较高的时钟频率和对时序有强大的控制能力。国内的水平良莠不齐，古大，飞鹰，百特的超声波物位计的技术在国内应该处于领先地位。但是低端的很多。国外西门子，E+H，HAWK的产品比较齐全，质量比较稳定5。1.3课题设计的内容本课题主要研究设计超声波测距仪，主要包括超声波测距仪的原理和方案设计，硬件电路图以及软件设计。本文主要工作如下：第一章为绪论，主要介绍此课题研究背景及超声波测距仪的国内外研究现状和主要应用。第二章为课题的方案设计及论证，主要是提出方案并且应用所学来论证此方案的可行性。第三章为系统的硬
13、件结构设计，根据超声波测距仪的原理设计出系统的硬件电路图。第四章为系统的软件设计，写出各个部分的程序，完成最终的软件调试。最后是对全文的总结与展望，概括了全文的研究内容；同时也指出了论文尚还存在的不足之处，提出了一些可以继续努力的方向，为后续工作提供参考。2系统的方案设计2.1超声波测距原理单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离SCt2，式中的C为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可
14、测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。由于超声波属于声波范围，其波速C与温度有关6,关系如表2-1所示：表2-1 超声波波速与温度的关系表Tab. 2-1 Relationship between ultrasonic velocity and temperature table温度（）-30-20-100102030100声速（ms）313319325323338344349386当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20室温)，忽略声速的传播误差。测距误差st(0.001/344) 0.000
15、002907s 即2.907ms。在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1cm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的AT89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用AT89C51定时器能保证时间误差在1ms的测量范围内。 单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示7。超声波测距仪原理如图2-1所示：超声波接收器放大电路锁相环检波电路定时器单片机控制显示器放大电路超声波发射器图2-1 超声波测距仪原理框图Fig .2-1 Block diagram of ultrasonic range finder2.2系统整体方案的设计由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，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。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、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、和声波特性各不相同，因而用
