基于数模电的超声波测距系统正文部分.doc

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1、第一章绪论1.1概述目前，超声波测距系统已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波测距系统可以探测海洋潜艇的方位、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物的形状及方位；利用超声波的传播时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物产生的反射波来确定物体部损伤的位置以及状态，称之为无损探伤；利用超声波测距系统辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预定好的行进方向来完成任务。另外还有应用于液面探测、矿井探测、汽车报警、物位的测量等相关领域。超声波测距系统主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军

2、事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业使用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用[1-5]。超声波测距系统虽然被大量应用于各种工业领域，但在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距系统共同工作的条件下会产生相互影响，另外测距的盲区比较大，这些固有的特点限制了其进一步广泛应用。在目前使用的超声波测距技术中，应用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的

3、脉冲回波检测法，其原理是通过传感器发射超声波，并接收从被测目标反射的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播速度，计算出超声波传感器于被测物体之间的距离。超声波测距系统的设计结构种类繁杂，性能差异也很大。目前市场上主流的超声波测距系统大多数是用单片机作为主控芯片，产生驱动信号，并且接收回波，控制通讯。但由于声波的传播速度会受到温度及介质的不同而产生变化，对于高精度要求的测量，基于单片机的超声波测距系统就需要对单片机部的程序参数进行重新设定，并下载到单片机。这在复杂环境条件下是很大的难题，因此基于

4、模拟电路和数字电路的超声波测距系统对比单片机系统有着相当大的优势，它可以通过在逻辑计算电路中增加可调电阻的方式对参数进行调整。1.2超声波的特点当物体产生震动后会通过介质产生声波。声波每秒振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹。人耳能听到的声波频率为20～20000赫兹。当声波的频率小于20赫兹或20000赫兹时，人便听不见声音了。因此，人们把频率高于20000赫兹的声波称作“超声波”[6]。超声波和可以听到的声波本质上都是机械震动，都是以纵波的方式在介质中传播，但超声波的频率更高，波长更短。超声波在介质中产生机械振荡

5、，传播速度不及光波，但其纵向分辨率较高。超声波对周围环境中的色彩，光强，光线和电磁波不敏感，对于处于复杂环境的被测物如黑暗，电磁干扰，有毒等恶劣环境下超声波基本不受环境的影响可以正常工作。超声波在介质中能量消耗较小，可以传播更远的距离，声波的传播速度不受频率的影响，所以军事，工业，科技等很多方面都选择超声波测距系统并大量的运用[7-8]。1.3超声波测距原理超声波测距的方法有很多，例如相位检测，声波幅值和渡越时间等检测方法。这几种检测方法各有优缺点，相位检测法相对其他方法精度高，但是检测围较小，不能应用与长距离检测，

6、声波幅值检测法对反射波要求较高。所以通常条件下渡越时间检测方法是最为常用的超声波测距方法，在超声波检测技术中，最主要的是利用了超声波反射、折射、衰减等物理特征来实现检验。渡越时间检测法基本的工作原理是：超声波换能器由脉冲信号产生超声波，通过介质传播到被测物体，形成反射波；超声波传感器检测到反射波，并由传感器把声波信号转换为电信号，再通过逻辑计算出超声波在介质中传播的距离，利用公式：（1.1）就可以确定超声波检测设备到前方物体之间的距离。超声波传感器又分为自发自收传感器和只有单独的发射或接收功能的传感器。本文采用的是一

7、发一收的双传感器的设计，传播介质为空气[9-10]，超声波测距原理如图1-1。图1-1超声波测距原理图渡越时间测量法：（1）直接计数法发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时开始计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻时停止计时，计时这段时间就是渡越时间。（2）相位法发射装置发射出一定频率的正弦波，发出的声波到达障碍物后产生反射波，接收端收到反射波，经过放大电路放大，再与发射装置的驱动电压进行比较，测出两个正弦电压的相位差，跟据相位差就可测出距离。本设计采用了直接计数法，这种方法有点在于原理简单适用，电路成本较低。而测距精度

8、方面也不逊于其他两种测量方法。1.4超声波传感器超声波换能器又称超声波传感器有很多种类，在产生超声波的方式这方面来讲，超声波换能器大致分为两类：一类是用电器方法产生超声波。电气方法是指通过压电、磁场和电动等方式产生超声波。另一类是采用机械振动的方式来产生超声波。这两种方法产生的超声波的频率、功率和声波特征各不相同，因此适用于不同的用途。目前较为