超声波测距仪文献综述

毕业设计（论文）文献综述

院系：电子与电气工程系

年级专业：08级通信工程

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题目名称：超声测距仪设计综述

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超声波测距仪文献综述

【内容摘要】：超声测距技术在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已应用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等场合。因此，深入研究超声的测距理论和方法具有重要的实践意义。

【关键词】：超声波、测距仪、单片机

导言

我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。

超声测距是一种非接触式的检测方式。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。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，因而其准确度也较其它方法为高。超声波测距器，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和移动机器人的研制上，也可在潮湿高温，多尘等恶劣环境下工作。例如：液位、厚度、管道长度等场合。

近年来，随着单片机在我国的推广，以其简单实用、功能强、体积小而日益广泛的被广大设计师采用，尤其在控制领域中的应用更为突出。单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛，在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。目前单片机已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域，随着单片机性能的不断提高，它的应用将会更加广泛。单片机技术发展非常快，所以目前的产品都致力于在功能全面、技术先进、操作简便、安全可靠、价格合理等方面进行仔细研究，精心设计；及时掌握最新的单片机技术，在条件允许的情况下，尽可能地利用最新的单片机技术来研制其应用系统，再利用单片机体积小、价格低、功能强等特点，以保证所设计的产品在未来的一段时间内仍具生命力。在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；从简单到复杂，从

空中、地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片机的需求。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。

因此，本次基于单片机的超声波测距仪的设计具有一定的实用和参考价值

正文

一、国内外研究的现状、各自的优缺点，以及未来的发展趋势

测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。目前测量距离一般都采用波在介质中的传播速度和时间关系进行测量。常用的技术主要有激光测距、微波雷达测距和超声波测距三种。红外测距的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差。激光测距的优点是精确，缺点是需要注意人体安全，且制做的难度较大，成本较高，而且光学系统需要保持干净，否则将影响测量。激光测距主要运用于军事方面。

声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量，机器人视觉识别，倒车防撞雷达，海洋测量，物体识别等方面得到广泛的应用。超声波具有指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远的优点。与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,可在潮湿高温，多尘等恶劣环境下工作，例如：液位、厚度、管道长度等场合。在识别透明及漫反射性差的物体上也更有优势。由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统。相比于其它定位技术而言，超声波定位技术成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠，非常适合于短距离测量定位。因而超声波测距器电路易实现、结构简单和造价低，而且以声速传播，便于检测和计算。

然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大,由于测量距离的不同,造成回波信号的起伏,使回波到达时间的测量产生较大的误差;二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽,影响了测距的分辨率,尤其是对近距离的测量造成较大的影响[7]。其他还有一些因素,诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响,这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用,如何解决这些问题,提高超声波测距的精度,具有较大的现实意义。

相信将来随着科学技术的不断进步，超声波测距器也会越来越完善。

二、单片机实现测距原理

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。

图3 测距系统原理图

超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。

硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP 三极管8550驱动。

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Tr，然后求出距离S＝CTr／2，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。