超声波视觉识别系统的设计和实现

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1、超声波视觉识圳系统的设计和实现电子信息工程专业学生王靖指导老师闫改珍摘要：木文详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统 是以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来 测量待测距离。本系统安装使用方便，价格便宜，有较广阔的应用前景。超声测距系统的设计原理以达到更优的系统性能为目的。为适合不同的测距 范围，单片机设置了远近两种发射模式，即近距离测量时使脉冲串来增强回波信 号，根据回波信号特点得到了最佳接收机的组成。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的工作机理及特 性，对于影响测距系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功 能的

2、基础上，提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部 分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了 AT89S51单片机在系统中的应用， 分析了系统各部分的硬件及软件实现。实验表明，各主要波形及技术指标均达到 设计要求。该系统对有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分 析了误差产生的原因及如何对系统进行完善提出了一些改进建议。关键词:超声波，超声传感器，超声测距，单片机，温度补偿1、引言1.1课题研究的目的和意义人类在征服自然、改造自然和推动社会进步的过程中，面临着自身能力、能 量的局限性，因而发明和创造了许多机器来辅助或代替人类完成任务.智能机器， 包括智能机器人，是这

3、种机器最理想的形式，也是人类科学研究中所面临的最大 挑战之一.智能机器是指这样一种系统，它能模拟人类的功能，能感知外部世界 并有效地解决人所能解决问题.人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉 和嗅觉等感觉器官，其中约80%的信息是由视觉获取的.因此，对于智能机器来 说，赋予机器以人类视觉功能对发展智能机器是及其重要的，也由此形成了一门 新的学科一机器视觉（也称计算机视觉或图像分析与理解等）.机器视觉的发展不 仅将大大推动智能系统的发展，也将拓宽计算机与各种智能机器的研究范围和应 用领域。虽然说人类听不出超声波，原因就是蝙蝠能发出210万赫兹的超声波，这 好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是

4、利用这种“雷达”判断飞行前方是昆 虫，或是障碍物的。我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利 用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中 发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便 可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942 年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开 始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不 可缺少的工具。超声波是属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种 纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波

5、的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于 20KHz则称为超声波声波。超声波具有如下特性：(1) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。(2) 超声波可传递很强的能量。(3) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。(4) 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率 高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透 几十米的深度。超声波碰到杂质或

6、分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到 活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学 等方面。测距技术目前一般采用的有超声波测距、微波雷达测距、激光测距、摄像系统 测距四种。这几CCD种测距方式各有优缺点，超声波传输速度较慢,主要用于短距 离探测;微波雷达测距环境适应性好但易受电磁干扰;激光测距测量时间短、量程 大、精度高，但对外界自然环境敏感；摄像机系统精度高并CCD可进行三维图像 显示,但价格较高。1.2课题研究的内容1) 硬件部分的设计(1) 传感器的选型(2) 运用protle2004进行绘图(3) 数据采集的系统2) 软件部分的设计(1) 软件的介绍(2)

7、 系统界面的设计(3) 流程图的程序(4 )数据仿真1.3国内外研究的情况一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galtno的气哨实验，这 是人类首次有效产生的高频声波。这些年来，随着超声波技术研究的不断深入， 再加上其具有高精度、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，国内的一些学者也作了相关的 研究。中国测试技术研究所李茂山在超声波测距原理及实践技术中详细地阐 述了超声波的测距原理，并给出了实现超

8、声波测距的具体框图，并讨论了影响超 声波测距精度的几种原因。在本文中，在此文中，作者分析，利用超声波测华北 电力大学硕十学位论文距是立足于声速在既定的均匀媒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，刁能获得实用的测长精度。 在本文中，作者还粗略地提了一下超声波测距的误差的主要来源和对超声波测长 仪的校正。1998年，曼内斯德马泰克(秦皇岛)有限公司推出了一种数字式超声波位移 测量仪，李忠杰在数字式超声波位移测量仪的研究一

9、文中介绍了这种数字式 超声波位移测量仪的结构，工作原理和功能，其数据处理借助于单板机，给出了 程序框图，对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说明，并列出了部分仪表的实 测数据，并分析了误差产生的原因。在此文中，给出了超声波测距仪在对液压缸 位移进行测量时与其它位移传感器的优势所在，并给出了单板机的程序框图。中国科学院上海声学实验室的王润田在双频超声波测距一文中提出了一 种双频超声波测距的原理和方法，由于空气对超声波的吸收与超声波的平方成正 比，因此，用来测距的超声波的频率不能很高，但另一方面频率越低，波长越长， 测长的绝对误差就越大，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。王润田 提出，为了在

10、一个较长的范围内达到测距的精度，在测距时同时发射两个频率的 超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样在较大的范 围内实现较高的测距精度。厦门大学海洋系的童峰在一种高精度超声波测距处理方法一文中，提出 在超声测距系统中，测距误差也即声脉冲传输时间t的测量误差，实际上是对测 距脉冲回波前沿的检测误差，作者根据声的发射，反射及传输理论推出并用实验 验证了测距回波包络曲线的近似方程，据此提出了一种高精度超声波测距信号处 理方法，并由理论分析与实验结果，提出了一种基于归一化包络曲线的抗起伏信 号处理方法，其步骤为：A. 用一定的检测方法计算出方程中和起伏参数；B. 根据包络方程推算出

11、回波的理想前沿：C. 得到准确的声波传播时间；D. 乘声速除以2即得距离；并且给出了系统硬件的框图及软件部分的具体功能。实验结果显示，在2.5 一 12米的范围内，系统最大测距误差为0.24%，并具有较高的稳定性。南昌航空工业学院的江泽涛在温度对液体中超声波速度的影响一文中， 详细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体 压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度 对声速及声时的影响，用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。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，为了提高测量精度，作

12、者从硬件的角度设计了种外 l伺电路，提华北电力大学硕十学位论文高了计数参考频率，从而提高了仪器系 统的测量精度。对于测控系统来说，一个测量精度高、抗干扰能力强的传感器是 必要的，超声传感器对于超声波测距系统来说是非常关键的，陕西师范大学的董 胜林，董晓宁研制了一种圆板膜弯曲振动模式的气介式超声波传感器。单片机在超声波测距系统中也有很重要的作用，东北电力学院的韩保亮，孙 伟对这方面进行了有益的探索。在一文中，细述了测量原理以及以单片机为核心 的硬件组成部分。在文章末还对不同反射面被测物对超声测距的影响进行了分 析，并给出了光滑硬表面和泡沫塑料表面物体的实测数据，分析了造成盲区的原 因。误差的处理

13、的合理性对于测距系统精度的提高来说是非常重要的，山东矿业 学院济南分院的曹茂永，张诩芳在泥浆中超声测距误差分析及修正一文中分 析了超声波测距在泥浆中产生的三种误差即：固定探头误差，声速误差以及随机 误差。并对这几种误差进行了修正，实践证明，这几种误差修正的方法有效地提 高了测量系统的准确度。KimiyukiMitsui，MakotoKoike，HidehikoTsukamoto 在一文中提出了一种 基于像散焦点差探测理论的一种新的超声传感器。在研究这种传感器中作者作了 一个假设即：薄透镜理论也适用于物镜和柱面透镜，这种假设是有效的，因为， 射线光学是基于Snell法则，而Snen法则也适用于超

14、声波。文中也给出了作者 的实验曲线，证明这种方法是有效的。2.超声波测距技术综述2.1超声波的概述我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声 音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020, 000 赫兹。当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。 因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。声波在真空中不能 进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通 常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s，液体中约为120Om/s，固体中 约 4000m/s。空气中超声域（20KHz106K

15、Hz）内的波长约为 1.7em0.3X10 4emI 一 2。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十 扰，对被测目标无损害以及声波传播速度在相当大范围内与频率无关等独特优 点，越来越受到人们的重视，已广泛的应用于工业定位检测、无损探伤、医疗 诊断、移动机器人、汽车防碰撞和海洋捕捞作业等领域2.2超声波传感器简介超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动 频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有 频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特 点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透

16、明的固体中，它可 穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波， 碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物 医学等方面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 能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探 头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探 头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、 表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个 探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的 材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性 能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标 包括