超声波测距设计

第一章绪论

1.1测量的概念

测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。测量是对非量化实物的量化过程。

1.2测量的分类

从不同观点出发，可以将测量方法进行不同的分类，常见的方法有：

1、直接测量、间接测量和组合测量

直接测量是将被测量与与标准量进行比较，得到测量结果。

间接测量是测得与被测量有一定函数关系的量，然后运用函数求得被测量。

组合测量是对若干同名被测量的不同组合形式分别测量，然后用最小二乘法解方程组，求得被测量。

2、绝对测量、相对测量

绝对测量是所用量器上的示值直接表示被测量大小的测量。

相对测量是将被测量同与它只有微小差别的同类标准量进行比较，测出两个量值之差的测量法。

3、接触测量、非接触测量

这是从对被测物体的瞄准方式不同加以区分的。接触测量的敏感元件在一定测量力的作用下，与被测物体直接接触，而非接触测量敏感元件与被测对象不发生机械接触。

4、单项测量与综合测量

单项测量是对多参数的被测物体的各项参数分别测量，综合测量是对被测物体的综合参数进行测量。

5、自动测量和非自动测量

自动测量是指测量过程按测量者所规定的程序自动或半自动地完成。非自动测量又叫手工测量，是在测量者直接操作下完成的。

6、静态测量和动态测量

静态测量是对在一段时间间隔内其量值可认为不变的被测量的测量。动态测量是为确定随时间变化的被测量瞬时值而进行的测量。

7、主动测量与被动测量

在产品制造过程中的测量是主动测量，它可以根据测量结果控制加工过程，以保证产品质量，预防废品产生。

被动测量是在产品制造完成后的测量，它不能预防废品产生，只能发现边挑出废品。

1.3测量技术的发展趋势

近年来，精密测量技术发展迅速，成果喜人。例如在线测量技术，已可进行加工状态的实时测量与显示，及时检测加工是否出现异常状况，从而可大幅度提高生产效率。

在高精度加工和质量管理过程中，随着光机电一体化、系统化的发展，光学测量技术有了迅速发展，相应的测量机产品大量涌现，测量软件的开发也日益受到重视。

随着非接触、高效率测量机的大量出现，专家预计，21世纪测量技术的发展方向大致如下：

（1）测量精度由微米级向纳米级发展，测量分辨力进一步提高；

（2）由点测量向面测量过渡（即由长度的精密测量扩展至形状的精密测量），提高整体测量精度；

（3）随着图像处理等新技术的应用，遥感技术在精密测量工程中将得到推广和普及；（4）随着标准化体制的确立和测量不确定度的数值化，将有效提高测量的可靠性。

总之，测量技术必须实现高精度化，同时也要XX现高速化和高效率化，因此，非接触测量和高效率测量也必然成为新世纪精密测量技术的重要发展方向。

面向21世纪的我国工程测量技术的发展趋势和方向是：测量数据采集和处理的自动化、实时化、数字化；测量数据管理的科学化、标准化、规格化；测量数据传播与应用的网络化、多样化、社会化。GPS技术、RS技术、GIS技术、数字化测绘技术以及先进地面测量仪器等将广泛应用于工程测量中，并发挥其主导作用。

1.4超声波测距的定义和内容

1.4.1超声波测距的定义

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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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。

1.4.2超声波测距的内容

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

气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。

1.5超声波测距的发展及应用

超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、温度传感器等结合共同实现寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。

第二章方案论述

2.1 系统参数及性能指标

1.测量距离X围<=6m

2.精度优于1%

3.数码管显示

4.进行温度补偿

5.具有RS232通信能力，便于扩展

6.抗干扰能力强，安装方便，便于嵌入其他系统

7.体积小，功耗低，便于嵌入其他系统

2.2测量方案的选择

对液面的测量可以采用接触式和非接触式两种形式进行，接触式的主要方式为标尺测量和电极法测量，但是二者都有其明显缺点，标尺测量是最直接方便的测量方式，但是其误差偏大，不够精确，电极法测量是采用差位分布电极，通过给点或脉冲来测量液面，但是由于电极长期浸泡在液体中，极易被腐蚀，失去灵敏性。

非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。虽然测量精度和抗腐蚀性较直接测量有显著提高，但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用

领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:

1.超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓

慢，因此可以直接测量较近目标的距离;

2.超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差

的物体(如玻璃、抛光体);

3.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;

4.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

型化与集成化，并且可以进行实时控制。

因此，超声波方法作为非接触检测和识别的手段，已越来越引起人们的重视。在机器人避障、导航系统、机械加工自动化装配及检测、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。

综上所述并考虑到设计要求，本次设计选择超声波液面测距法。

2.3CPU的选择

方案一：采用PHILIPS的P89LPC932作为系统的主控制单元，其内部有片内时钟电路，片内复位监视电路，同时在其内部具有8KB的FLASH程序存储器，256+512的程序存储器,它的主要优点在于低电压功耗，封装体积小。

方案二：采用AT89C51微处理器作为系统的主控器，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

方案三：采用AT89S51微处理器作为系统的主控制器，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

综合上述三种方案，考虑到大学期间学习知识的特点，决定采用AT89C51作为系