1、 1 本科毕业设计 (论文 )文献综述 电子信息 工程 超声波测距研究 摘要 ： 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本报告详细的介绍了超声波测距的原理和发展前景，以及各种测距方法的比较和常见的超生波测距方案。对比中考虑了测距系统的思路和可能遇到的问题选择基于单片机超声波测距的方案。该系统操作方便，易于检测，工作稳定，计算简单，符合工业实用的要求。 关键词： 超声波；测距 ；单片机； 1.引言 利用超声波作为定位技术是
2、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。 超声波测距是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射等）来实现对非声学量（如密度、浓度、温度、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰 减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况 1。 超声波测距 仪作为一
3、种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。因此设计好的 超声波测距 仪就显得非常重要了。这就是我设计 超声波测距 仪的目的及意义。 2.超声波的发展 近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向 : 1、 由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质 进行定量判断，2 并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、三维图像 。 2、 向在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声测试技术取得突破进展 。 3、超声测试技术和材料的物性评价相结合，材料的设计、加工和工程
4、应用迅速发展。 因此超声波在我们日常生活中应用非常广泛， 如文献 8提到的 在工业生产中，超声波被应用在金属材料和部分非金属材料探伤，钡口厚，以及超声振动切削加工、清洗、焊接等行业 ， 以及进行物位、浓度、硬度、温度等检测。 文献 2在医学领域，在诊断显像技术，血流测量计，胎儿检查仪，超声波洁牙器等医疗器械都是利用 了超声波的特性。在军事领域中，超声波用于雷达目标定位，武器制导等方面 。 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。 无庸置疑，未来的超声波测距仪将
5、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 11。 3.方案的比较和选择 3.1测距方法比较 目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距 4 种 2。雷达测距就是测量电池波往返雷达与目标之间的时间，在根据声波在空气中的速度计算。红外测距
6、 利用的是红外线传播时的不扩散原理 ，根据 红外线在穿越其它物质时折射率很小而红外线的传播是需要时间的 ， 当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接 受到再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离 。 激光测距的原理和其他测距原理差不多，利用的也是激光往返目标物的时间。 与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点： (1) 超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体 (如玻璃、抛光体 )。 (2) 超声波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、有毒等恶劣环境中。 (3) 超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度
7、小、信息处理简单可靠、易于3 小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越 来越引起人们的重视。 3.2 常用的超声波测距方案 方案一 . 基于 CPLD 的超声波测距系统 这种测距系统采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用 VHDL(编写程序，使用 MAX+plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。 文献 3柳建生等利用 CPLD 器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在 LED 上显示出来。配合使用 MAX+plusII 开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件
8、编程于一体，集成度高，开 发周期短。其系统框图 3-1。 图 3-1 基于 CPLD 的超声波测距系统框图 超声波发射器向某一方向发射 40kHz 的超声波，在发射超声波的同时， MAX7128S 内的计数器开始计数。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到 CPLD， CPLD 立即停止计数。 CPLD 所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。超声波在空气中的传播速度如设定为 332m/s，根据计数器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即： s=332t/2。 CPLD 开始计数后，只要传感器收到回波， CPLD 就
9、立即停止计数，即只有最先返回的超声波才起作用，也就是说超声波测距仪总是测得离传感器最近的物体的距离 3。 方案二 . 基于单片机的超声波测距系统 文献 10张海英设计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震荡，发射超声波。超声波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 3-2-2。 4 图 3-2-2 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
10、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 10。 4.总结 以上比较了测距的方法和常见的超声波测距的方案，基于超声波对比的各种优点及单片机的操作简单，计算方便，我选择了基于单片机的超声波测距的方案进行专题研究。本 方案通过用单片机控制超声波的发射和接收电路以及进行数据处理。由单片机产生一个信号， 经超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空中传播，途中遇到障碍物就立刻返回，超声波接收器接到发射波后
11、立刻停止计时，读取时间差，计算距离，并显示在 LED 数码管上。 参考文献： 1什么是超声波测距 EB/OL,2011-10-23. 2李戈，王晓华等 国内超声波测距研究应用现状 J 测 绘科学， 2011年 04期 3柳建生，杨丽荣 .基于 CPLD 和单片机的高精度超声波测距研究 J.微计算机信息，2006,22（ 20） . 4R. Raya, A. Frizera, R. Ceres, et al. Design and evaluation of a fast model-based algorithm for ultrasonic range measurementsJ. Sen
12、sors and Actuators A: Physical, 2008, 148(1):335 341. 5 5何立民 . MCS-51 系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 M.北京：北京航空航天大学出版社， 1990.8993. 6吴超 .基于 FPGA 的超声波测距系统 D.武汉理工大学： 2009. 7精英科技电路设计完全手册 J中国电力出版社 2001. 8时德刚，刘哗 .超声波测距的研究 J. 计算机测量与控制， 2002， 9（ 10）： 3133. 9 张海英 基于单片机超声波测距仪的设计 J科技信息， 2011年 22期 10张海鹰 高艳丽超声波测距技术研究 J仪表技术， 2011年 09期 11赵艳华， 张睿等 基于 QuartusII 的 FPGA/CPLD 设计与应用 M 聚集 EDA， 2009,9：1920
