基于单片机的超声波测距系统学位论文.doc资源-CSDN文库

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理工大学学士论文

1 绪论

1.1 课题背景

传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术

和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于

人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、

压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机

控制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，并且测量精度较

高。

超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地

以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原

理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，

深入对单片机的理解和应用。

1.2 课题研究意义

由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它

仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高

可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水

处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防

汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线

标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位

罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超

声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能

达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装

备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在

移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，

因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。

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1.3 现阶段常见问题的分析及解决方案

（1）超声波传播波速不恒定

超声波在介质中的传播速度随周围环境（温度、压力等）的变化而变化，其中温

度的影响最为明显。常温下，超声波的传播速度为 340m/s，温度每升高 1℃，声速增

加约为 0.6 m/s，因此超声波测距中一般采用温度补偿的方法，即在数据处理中对超声波

传播速度进行实时温度补偿。

（2）回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减

回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减，使得接收传感器接收到的回波信号

随着测量距离的增大而大幅减小，给回波前沿的准确定位带来困难，造成测量精度降低。

在回路上串入自动增益调节环节（AGV），使得电路放大倍数随着测量距离的增大而相

应规律地增加，可有效解决该问题。

（3）盲区

发射超声波时，超声波换能器在驱动脉冲结束后，会由于惯性继续振动，产生余振。

余振期间，由于无法区分回波信号与余振信号，因此必须等余振停止或衰减到足够小后，

才能允许接收传感器接受信号。这段时间由于无法检测超声波传播距离，从而出现盲区。

为了减小盲区，即尽快让余振衰减到零或足够小，马志敏

]13[

提出自动根据测量距离

远近调控发射功率的方法，即自动根据距离的远近来调整发射拖尾波覆盖信号的宽度，

从而消除拖尾波的干扰。

QiangLi,Zhang

]14[

提出增大余振衰减系数的方法，来加速余振的衰减。郗晓田提出

通过减小电容上电压最大值 U 的初值来加速余振衰减的方法，也可在一定程度上减小

盲区。

（4）超声波旁瓣影响

接收传感器在超声波发射结束后接收到的第一个波一般是串扰直通波。它是超声波

信号由近源的波束旁瓣或通过换能器绕射，直接到达接收传感器造成的

]15[

。因此，安装

传感器过程中，两个探头之间距离应大于 3cm

]15[

，从而降低超声波旁瓣对测距系统精度

的影响

（5）混响信号干扰

混响信号是由于水中介质及界面等非目标物对发射信号的反向散射波在接收点叠加

而产生的。其本身是一种回波，且包含的信号频率与发射信号相近，不能被一般滤波电

路或算法消除。特别在近距离探测中，它是主要背景干扰。测距时，可以根据时间变化，

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2 超声波测距系统

2.1 超声波

超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在 10

——10

Hz，其中通常的频率大

约在 10

——3

10�

Hz 之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果

超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波

自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面

限制不能自由的向外扩散。

2.1.1 超声波特性

（1）束射特性

由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，

而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反

射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要

改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。

（2）吸收特性

声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介

质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一

个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在

固体中传播时吸收是最小的。

（3）超声波的能量传递特性

超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强

大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由于声波

的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率—样，分子振动的频率决定

了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本

身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也

就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以

使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功

率。

（4）超声波的声压特性

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当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将

使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。

2.1.2 超声波传感器

超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，

具有可逆特性。

压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就

会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外

加电压的大小和方向成正。也就是说，若在压电晶片两边加以频率为

的交流电电压时，

它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当

落在音频范围内时

便会发出声音。反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那

么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。

超声波传感器结构如下：

图 2.1 元件内部结构图 2.2 超声波外部结构

超声波测距的原理：声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是

指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，

这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是指振动频率大于

20000Hz 以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），

人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都

是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其

不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。

到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

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