* *大学毕业设计(论文)综述报告题目超声波测距仪的设计学院名称机械工程学院指导教师00000000职称讲师班级00000000学号 00000000000学生姓名* *2012年1月12日1.本设计（课题）研究的目的和意义在日常生产生活中，很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距。

超声波是指频率大于20 kHz的在弹性介质中产生的机械震荡波，其具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离相对较远等特点，因此常被用于非接触测距。

由于超声波对光线、色彩和电磁场不敏感，因此超声波测距对环境有较好的适应能力，此外超声波测量在实时、精度、价格也能得到很好的折衷。

2. 本设计（课题）国内外研究历史与现状近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。

1．超声波回波信号处理方法超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣，直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声波探测定位系统的精度和反应速度。

近年来，童峰、Yang Yichun、程晓亮等先后在该方面做了大量研究。

童峰等提出最小均方自适应时延估计(LMSTDE)的算法。

该算法消去了实际换能器与理想换能器的频率特性差，消除了信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响，使整个系统保持平坦的频率响应，且输出均方误差最小。

但该算法计算量太大，特别在自适应滤波器的阶数较高时，计算量会明显增加。

Yang Yichun 等针对传统相关计算法在信号的采样频率很低时计算得出的相关函数分辨率低这一不足，提出了基于修正的线性调频变换和相关峰细化原理的精确时延估计快速算法，精确计算相关函数的峰，使得低采样信号的时延估计精度得以提高，并且不受采样率的限制。

程晓畅等针对常规相关峰插值方法在多倍插值的情况下，计算复杂、时延估计精度差等缺陷,结合超声回波信号的窄带通特性和相关峰细化原理,提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法,并分析了计算复杂度；并且还针对超声波换能器的带宽特性和单脉冲回波特性，对M 序列参数设计方法进行分析。

他们借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，提出了基于FFT 的伪随机码包络相关快速时延估计的算法，将信号解调与匹配相关融合，减少了计算量。

这三种算法均属于互相关函数算法，与传统互相关函数算法相比，它们均在提高时延估计精度的同时，避免了计算量的大幅增加。

卜英勇等根据回波信号的传输特征，利用小波分析法对回波信号进行运算处理，提出了基于小波包络原理的峰值监测方法。

小波分析法是一种针对信号的时间-尺度(时间-频率)进行分析的方法，可以获得平滑、有效的回波包络曲线,进而利用峰值检测法确定回波前沿的到达时刻，具有高分辨率的优点。

目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。

2．新型超声波换能器研发随着超声波回波信号处理方法的不断完善，如何研发新型、高性能超声波换能器以进一步拓宽超声波测距的应用空间，作为解决超声波测距系统不足的根本手段，越来越受到国内学者关注。

通过对以Vmos 场效应管为开关元件的超声波发射电路进行分析，马庆云等发现激励脉冲宽度对超声波换能器的发射功率影响极大，换能器取得最大发射功率所对应的激励脉冲宽度为其谐振周期的一半。

该分析结果对新型超声波换能器的发射电路的设计具有一定的指导作用。

针对传统连续调频超声波系统需要使用宽带超声传感器的不足，李希胜等提出了一种连续窄带调频超声波测距方法。

该方法可以利用较低的瞬时超声波功率实现较高的平均发射功率，从而利用普通超声传感器来组成超声发射-接收传感器对，避免了使用价格昂贵的宽带超声传感器。

目前国产低功率超声波探头，一般不能用于探测15m 以外的物体，美国AIRMAR 公司生产的Airducer AR30 超声波传感器的作用距离可达30m,但价格较高。

潘仲明等对大作用距离超声波传感技术进行研究，研制了谐振频率为24.5kHz 的新型超声波传感器，其作用距离超过了32m，测量误差小于2%。

廖一等提出利用弯曲振动换能器改善声匹配，将气介超声波换能器的最大探测距离提高到35m。

现阶段，国内一些科研人员在超声波发射电路的简化、发射功率和频率的控制、最大探测距离的提高等方面对新型超声波换能器进行研究并取得了一定成果，但对新型超声换能器制作材料、超声波发生机理创新等方面的研究尚有不足。

3．超声波发射脉冲选取目前市场上普通的超声波测距系统，一般采用发射单超声脉冲的方法，这种方法在测距精度和可靠性等方面的研究已较成熟。

但是当它采用较高频率超声波时，会因空气吸收而较快衰减，导致有效测量距离降低；在通过降低频率以增大测距范围时，测距的绝对误差又会增大。

因而该方法存在测量分辨力和有效作用距离的矛盾，极大制约了超声波传感器应用领域的拓宽。

近年来，如何合理选择超声发射脉冲，可以使超声波测距系统在提高有效作用距离的同时，相应提高测量精度与抗干扰能力，成为超声波测距技术的又一个重要研究方向。

针对此点，程晓畅[7]借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，率先提出通过选用伪随机二进制序列作为超声发射的脉冲压缩信号，并在接收端对回波进行处理，从而获得窄脉冲的方法。

杜晓等则兼顾测距范围和精度，提出通过采用40kHz 与20kHz 两种超声波同时测距的双频超声测距方法。

脉冲压缩技术与双频超声测距技术在超声测距中的应用，在一定程度上使超声波测距系统同时具备了窄脉冲的高分辨力和宽脉冲的强检测能力，但仍旧不能满足高精度测量的要求。

3. 目前存在的主要问题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。

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。

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。

因此，安装传感器过程中，两个探头之间距离应大于3cm，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，控制接收放大电路的增益，以实现对混响信号幅值的抑制。

6）超声波探测器测量分辨力和探测角度范围的矛盾超声波测距选用大波束角探测器，可以满足探测范围要求，但分辨能力较差，难于准确地提供目标的边界信息。

然而如果采用小波束角探测器，可以满足分辨能力的需要，但探测范围很难满足要求。

4. 本设计（课题）拟解决的关键问题和研究方法1本设计解决的问题本设计拟定超声波测距仪能够完成以下要求：1）可以实现在探测距离（100cm-450cm）内达到高精度（0.2cm）的要求；2）实时显示测量距离；3）距离小于100cm时随距离变小发出更高频率报警；4）同时采取制动措施控制步进电机转动。

2 研究方法针对以上问题系统采用多模块工作形式，每个模块实现固定功能。

系统框图如下图1-1图1-1 系统框图A．超声波测距电路，根据设计任务，选择合适的超声波传感器，通过设计实现超声波的发射接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离；超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。

本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。

本设计采用往返时间检测法测距。

其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。

测试传输时间可以得出距离。

假定s为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为t/s，超声波传播速度为v/m〃s-1表示，则有关系式(1)s=vt/2在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式(2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。

v=331.4+0.607T式中，T为实际温度单位为℃，v为超声波在介质中的传播速度单位为m/s。

B．蜂鸣器报警电路，方案：采用蜂鸣报警器，当探测距离小于100cm时发出报警声音，并且离障碍物越近，由控制系统控制提供更高频率的报警声音频率，此法报警频率由控制系统给出，无需外接频率发生装置，结构简单，可以运用软件实现硬件的功能，优势明显。

C．显示电路，方案一：选择8位数码管显示。

数码管具有显示亮度高，颜色鲜艳的优点，但是耗电大，没有驱动需要外加电路。

方案二：选用FYD12864-0402B液晶显示。

自带中文字库，显示分辨率为128×64，可显示8×4行16×16点阵的汉字、16×4行16×8点字符，但是此液晶价钱较贵。

方案三：采用LCD1602液晶，1602是字符型液晶，显示字母数字方便，控制简单，成本低。

结合实际需要，在满足具体要求的基础上，考虑到外观，成本，结构是否简单等因素选用方案三。

D．执行电路，当测量距离小于100cm时，采用步进电机模拟实际执行，实现对步进电机转动控制的目的；E．温度补偿电路，方案一：采用单总线数字温度传感器DS18B20温度补偿电路，实现高精度的要求，克服温度对超声波传感器精度的影响；方案二：采用软件进行温度补偿，补偿复杂，如果采用单片机控制系统，难以实现。

综上，选用方案一。

F．控制模块：方案一：以AT89C51单片机为主控芯片，通过软件编程分配单片机各个i/o口功能，实现基本控制电路。

方案二：以CAN总线通信电路系统作为控制系统，实现由上位机控制的基本控制电路。