高精度超声波测距系统设计
基于μC／OS-Ⅱ的高精度超声波测距系统设计
基于μC／OS-Ⅱ的高精度超声波测距系统设计1 引言超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而用于距离测量。
利用超声波检测往往较迅速、方便、计算简单、易于实时控制，且测量精度能达到工业实用要求，因此在移动机器人的研制中得到广泛应用。
移动机器人要在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。
超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低的特点广泛用作移动机器人的测距传感器，实现避障、定位、环境建模和导航等功能。
2 系统总体设计方案2．1 超声波测距原理2．1．1 超声波发生器超声波为直线传播方式，频率高，反射能力强。
空气中其传播速度为340 m／s，容易控制，受环境影响小。
因此采用超生波传感器作为距离探测的“眼睛”，可用于测距领域的超声波频率为20～400 kHz的频段，空气介质中常用为40 kHz。
2．1．2 压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上利用压电晶体的谐振工作。
超声波发生器内部结构有2个压电晶片和1个共振板。
当它的两电极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电品片振动，将机械能转换为电信号，这时就成为超声波接收器。
2．1．3 超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，碰到障碍物就立即返回。
超声波接收器收到反射波立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为340 m／s。
系统中，超声波测距采用检测超声波往返时间的方法。
由于时间长度与声音通过的距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲波时，计时开始；当超声波接收端接收到第1个返回波脉冲后，计时立即停止。
根据计时器记录的时间t，可计算发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t／2。
这就是所谓的时间差测距法。
2．2 系统总体设计该系统采用μC／OS-lI操作系统，系统将软件划分为4个功能模块：回波A/D采集模块，LED显示和按键处理模块，LCD显示模块，报警、存储及串口处理模块。
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计一、本文概述超声波测距技术因其非接触、高精度、实时性强等特点，在机器人导航、车辆避障、工业测量等领域得到了广泛应用。
STM32单片机作为一种高性能、低功耗的嵌入式系统核心，为超声波测距系统的设计提供了强大的硬件支持。
本文旨在设计一种基于STM32单片机的高精度超声波测距系统，以满足不同应用场景的需求。
二、超声波测距原理本部分将介绍超声波测距的基本原理，包括超声波的产生、传播、接收以及距离的计算方法。
同时，分析影响超声波测距精度的主要因素，为后续系统设计提供理论基础。
三、系统硬件设计3、1在设计基于STM32单片机的高精度超声波测距系统时，我们遵循了“精确测量、稳定传输、易于扩展”的总体设计思路。
我们选用了STM32系列单片机作为系统的核心控制器，利用其强大的处理能力和丰富的外设接口，实现了对超声波发射和接收的精确控制。
在具体设计中，我们采用了回波测距法，即发射超声波并检测其回波，通过测量发射与接收之间的时间差来计算距离。
这种方法对硬件的精度和稳定性要求很高，因此我们选用了高精度的超声波传感器和计时器，以确保测量结果的准确性。
我们还考虑到了系统的可扩展性。
通过STM32的串口通信功能，我们可以将测量数据上传至计算机或其他设备进行分析和处理，为后续的应用开发提供了便利。
我们还预留了多个IO接口，以便在需要时添加更多的传感器或功能模块。
本系统的设计思路是在保证精度的前提下，实现稳定、可靠的超声波测距功能，并兼顾系统的可扩展性和易用性。
31、1.1随着物联网、机器人技术和自动化控制的快速发展，精确的距离测量技术在各个领域的应用越来越广泛。
超声波测距技术作为一种非接触式的距离测量方式，因其具有测量精度高、稳定性好、成本相对较低等优点，在工业自动化、智能家居、机器人导航、安防监控等领域得到了广泛应用。
STM32单片机作为一款高性价比、低功耗、高性能的嵌入式微控制器，在智能设备开发中占据重要地位。
《2024年基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》范文
《基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计》篇一一、引言随着科技的不断进步，测量技术在众多领域中的应用日益广泛。
高精度超声波测距系统，以其非接触式、测量速度快和成本低廉的优点，被广泛应用于智能机器人、车辆导航、无人机飞行控制等场景。
本文将详细介绍基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计，包括系统架构、硬件设计、软件设计以及实验结果分析等方面。
二、系统架构本系统采用STM32单片机作为主控制器，通过超声波传感器进行测距。
系统主要由STM32单片机、超声波传感器、电源模块、信号处理模块等部分组成。
其中，STM32单片机负责控制超声波传感器的发射与接收，以及处理测距数据；超声波传感器负责将超声波信号发送出去并接收反射回来的信号；电源模块为系统提供稳定的电源；信号处理模块用于对接收到的信号进行滤波、放大等处理，以提高测距精度。
三、硬件设计1. STM32单片机：选用性能稳定、功能强大的STM32系列单片机作为主控制器，负责控制整个系统的运行。
2. 超声波传感器：选用高精度的超声波传感器，具有灵敏度高、测量范围广等优点。
通过单片机的GPIO口控制传感器的发射与接收。
3. 电源模块：为系统提供稳定的电源，包括电池或外接电源两种供电方式。
4. 信号处理模块：对接收到的超声波信号进行滤波、放大等处理，以提高测距精度。
四、软件设计1. 初始化：对STM32单片机进行初始化设置，包括GPIO口、时钟等。
2. 控制超声波传感器：通过GPIO口控制超声波传感器的发射与接收，发送一定频率的超声波信号并等待接收反射回来的信号。
3. 信号处理：对接收到的信号进行滤波、放大等处理，然后通过ADC（模数转换器）将信号转换为数字信号。
4. 距离计算：根据测量的时间差（即超声波信号往返的时间），结合声速，计算出物体与传感器之间的距离。
5. 显示与输出：将测量的距离通过LCD或LED等方式显示出来，同时可通过串口或蓝牙等方式将数据传输到其他设备。
高精度超声测距系统设计
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图1高精度超声测距系统结构图
2设计实现
2.1渡越时间测量和距离补偿算法
渡越时间是指从超声发射器发出的超声波,经气体介质的传播后,然后反射回到接收器的时间。
渡越时间与空气中的声速相乘,就是声波传输的距离,即:
L =12
vt (1)式中,L 为待测距离,v 为超声波的声速,t 为渡越时间。
若用σL =vσΔt +Δtσv 来表示测量误差,σL 为测距误差,v 为声速,σΔt 为时间测量误差,σv 为声速误差。
则可知提高测量精度的方法有:
(1)由于超声波在媒质中的传播速度和温度关系很大,所以必须要采取温度补偿措施,降低温度变化对测量精度的影响。
采用专用数字温度传感器DS 18B20测温,然后利用下面公式来计算当前声速,从而得到补偿温度导致的影响:
v =331.45
t 273.16
+1√
(m/s)(2)(2)若要求测距误差小于0.01m,取声速v =340m/s 时,忽略声速误差,那么测量时间的误差为:σ≤σL =0.01=0.00003s 。
所以必须利用
单片机软件控制流程图
本系统采用单片机和渡越时间算法及温度测量和距离补偿种距离和不同环境温度下进行测试,其稳定性良好且精度较高部分测试结果如表1所示29度环境下测试结果
9.0198.2499.81985000.0
0.2
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多媒体技术将加速舞蹈教学各个方面的进程。
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计一、本文概述随着科技的不断进步，超声波测距技术因其非接触性、高精度和快速响应等优点，在机器人导航、物体定位、无人驾驶等领域得到了广泛应用。
本文旨在设计一种基于STM32单片机的高精度超声波测距系统，以满足现代工业与生活中对测距精度和实时性的高要求。
本文将首先介绍超声波测距的基本原理，包括超声波的传播特性、回声测距原理等。
接着，将详细阐述基于STM32单片机的超声波测距系统的硬件设计，包括超声波发射器、接收器、信号处理电路以及STM32单片机的选型与外围电路设计等。
在此基础上，本文将探讨软件设计的关键技术，如超声波发射与接收的时序控制、回声信号的处理算法以及距离计算的实现方法。
为了提高测距精度和稳定性，本文将重点研究信号处理算法的优化，包括滤波技术、阈值设定、时间测量精度提升等。
还将讨论系统校准方法，以减小环境因素对测距结果的影响。
本文将给出系统的实际测试结果，包括在不同距离和环境条件下的测距精度和响应速度。
通过实验结果的分析，验证所设计的基于STM32单片机的超声波测距系统的性能与可靠性，为相关领域的实际应用提供参考。
二、系统总体设计本系统以STM32单片机为核心，结合超声波传感器、信号处理电路、电源管理模块以及外设接口，构建了一个高精度超声波测距系统。
系统的设计目标是实现稳定、准确的距离测量，同时满足低功耗、小型化以及易于集成的要求。
STM32单片机凭借其高性能、低功耗和易于编程的特点，成为本系统的理想选择。
该单片机具备丰富的外设接口和强大的处理能力，可以满足超声波信号的处理、距离计算以及与其他模块的通信需求。
为了保证测距的精度和稳定性，本系统选择了高性能的超声波传感器。
该传感器具有发射和接收超声波信号的功能，通过测量超声波在空气中的传播时间，可以计算出目标与传感器之间的距离。
信号处理电路是系统的关键部分，负责接收和处理超声波传感器输出的信号。
本系统设计了专门的信号处理电路，包括放大电路、滤波电路和ADC转换电路等，以确保信号的稳定性和准确性。
STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计
STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计STM32单片机是一款功能强大的微控制器，它在嵌入式系统和工控领域广泛应用。
其中，高精度超声波测距系统是STM32单片机应用的一个重要方向。
本文将着重介绍这一方向的系统设计。
一、系统设计概述高精度超声波测距系统基于超声波，其原理是测量声波从发射到反射再到回波的时间差，通过声速计算出距离。
本设计采用STM32F103C8T6单片机，外接一个超声波传感器，通过计算出的时间差计算出距离值，并在1602液晶屏上实时显示。
整个系统包括硬件电路和软件部分。
二、硬件电路设计硬件部分主要有超声波传感器、STM32开发板、LCD液晶屏、按键、二极管等组成。
超声波传感器和STM32通过GPIO口连接，超声波传感器的Trig引脚连接STM32的GPIOA12口，Echo引脚连接STM32的GPIOA11，其中Trig为输出，Echo为输入。
STM32还通过GPIO控制LCD液晶屏，LCD的4条数据总线分别连接到STM32的GPIOB3、GPIOB4、GPIOB5、GPIOB6口，而LCD的R、W、E口连接到STM32的GPIOA0、GPIOA1、GPIOA2口，按键通过GPIO口检测按键动作。
为了防止电路反向流，还需要连接1N4148二极管。
三、软件设计软件部分主要包括STM32的程序设计和LCD液晶屏模块设计。
首先，在开发板上使用Keil uVision编写STM32程序，主要包括IO口配置和中断处理，其中中断处理是通过TIM3定时器和输入捕获实现。
然后，通过Keil uVision编写LCD液晶屏模块程序，实现根据输入的距离值实时显示在LCD屏上，并进行滚动显示。
四、测试结果展示经过实际测试，该系统测距范围为2-400cm，精度为1cm。
并且，系统具有超过95％的测距成功率，能够满足实际需要。
图1为实际测试结果展示，图2为系统硬件电路示意图。
五、结论本文介绍了STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计，包括硬件电路和软件设计。
超声波测距系统的设计
超声波测距系统的设计引言：一、硬件设计：1.选择传感器：超声波传感器是测距系统的核心部件，通常采用脉冲法进行测量。
在选择传感器时，应考虑工作频率、测量范围、精度和稳定性等参数，并根据实际需求进行选择。
2.驱动电路设计：超声波传感器需要高频信号进行激励，设计驱动电路时需要根据传感器的工作要求来设计合适的电路，保证信号稳定且能够满足传感器的工作需求。
3.接收电路设计：超声波传感器产生的脉冲回波需要经过接收电路进行信号放大和滤波处理，设计接收电路时需要考虑信号放大的增益、滤波器的截止频率以及抗干扰能力等因素。
4.控制板设计：控制板是超声波测距系统中的核心控制器，负责控制测距过程、数据处理以及通信等功能。
在设计控制板时，应根据系统的要求选择合适的微控制器或单片机，并设计合理的电路布局和电源电路。
二、软件编程：1.驱动程序开发：根据传感器的规格书和数据手册，编写相应的驱动程序，实现对超声波传感器的激励和接收。
2.距离计算算法开发：通过测量超声波的往返时间来计算距离，根据声速和时间的关系进行距离计算，并根据实际情况对计算结果进行修正。
3.数据处理和显示：根据实际需求，对测量得到的距离进行处理，并将结果显示在合适的显示设备上，如LCD屏幕或计算机等。
4.数据通信：如果需要将测量结果传输至其他设备或系统，则需要编写相应的数据通信程序，实现数据的传输和接收。
三、系统测试与优化：1.测试传感器性能：测试测距系统的稳定性、精度和灵敏度等性能指标，根据测试结果对系统参数进行优化和调整。
2.系统校准：超声波测距系统可能受到环境温度、湿度和声速等因素的影响，需要进行校准以提高测量精度。
3.系统集成与实际应用：将超声波测距系统与实际应用场景进行集成，进行实际测试和验证。
总结：超声波测距系统的设计包括硬件设计和软件编程两个方面，其中硬件设计主要包括传感器选择、驱动电路设计和接收电路设计等；软件编程主要包括驱动程序开发、距离计算算法开发、数据处理和显示以及数据通信等。
超声波测距设计毕业设计
超声波测距设计毕业设计一、引言距离测量在许多领域都具有重要的应用，如工业自动化、机器人导航、汽车防撞等。
超声波测距作为一种非接触式的测量方法，具有测量精度高、响应速度快、成本低等优点，因此在实际工程中得到了广泛的应用。
本次毕业设计旨在设计一种基于超声波的测距系统，实现对目标物体距离的准确测量。
二、超声波测距原理超声波是一种频率高于 20kHz 的机械波，其在空气中的传播速度约为 340m/s。
超声波测距的原理是通过发射超声波脉冲，并测量其从发射到接收的时间间隔，然后根据声速和时间间隔计算出目标物体与传感器之间的距离。
假设发射超声波脉冲的时刻为 t1，接收到回波的时刻为 t2，声速为c，距离为 d，则距离 d 可以通过以下公式计算：d ＝ c ×（t2 t1) ／ 2三、系统硬件设计（一）超声波发射模块超声波发射模块主要由超声波换能器和驱动电路组成。
超声波换能器将电信号转换为超声波信号发射出去，驱动电路则提供足够的功率和电压来驱动换能器工作。
（二）超声波接收模块超声波接收模块主要由超声波换能器、前置放大器、带通滤波器和比较器组成。
换能器将接收到的超声波信号转换为电信号，前置放大器对信号进行放大，带通滤波器去除噪声和干扰，比较器将信号整形为方波信号。
（三）控制与处理模块控制与处理模块采用单片机作为核心，负责控制超声波的发射和接收，测量时间间隔，并计算距离。
同时，单片机还可以将测量结果通过显示模块进行显示，或者通过通信模块与上位机进行通信。
（四）显示模块显示模块用于显示测量结果，可以采用液晶显示屏（LCD）或数码管。
（五）电源模块电源模块为整个系统提供稳定的电源，包括 5V 和 33V 等不同的电压等级。
四、系统软件设计（一）主程序流程系统上电后，首先进行初始化操作，包括单片机的初始化、定时器的初始化、端口的初始化等。
然后进入主循环，不断地发射超声波脉冲，并等待接收回波。
当接收到回波后，计算距离，并进行显示或通信。
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高精度超声波测距系统设计。
引言
利用超声波测量距离的原理可简单描述为：超声波定期发送超声波，遭遇障碍物时发生反射，发射波经由接收器接收并转化为电信号，这样测距技术只要测出发送和接收的时间差，
然后按照下式计算，即可求出距离：
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，
因此，广泛应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。
目前的测距量程上能达到百米数量级，测量的精度往往能达到厘米数量级。
本文在分析现有超声波测距技术基础之上，
给出了一种改进方案，测量精度可达毫米级。
2 系统方案分析与论证
2.1 影响精度的因素分析
根据超声波测距式(1)可知测距的误差主要是由超声波的传播速度误差和测量距离传播
的时间误差引起的。
对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。
此外，当要求测距误差小于 1 mm时，假定超声波速度C=344 m／s(20℃室温)，忽略声速的传播误差。
则测距误差s△t<0.000 002 907 s，即2.907 ms。
根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1 mm的误差。
使用的12 MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μｓ的精度，因此系统采用AT89S51的定一时器能保证时间误差在 1 mm的测量范围内。
超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，
而空气的密度又与温度有着密切的关系。
温度与超声波的速度之间的近似公式为：
式中：C0为零度时的声波速度332 m／s；T为实际温度(℃)。
由此可见，测量精度与温度有着直接的关系，本文采用DS18B20温度传感器，对外界温度进行测量，并在软件中
实现温度补偿。
2.2 整体方案设计
本文主要采用单片机控制技术，实现精确的超声波测距方案，整个系统由超声波收发单元、波形校准单元、温度测量单元、显示单元和控制单元5个单元组成。
其中，超声波收
发单元主要实现超声波的接发送和接收；信号处理单元主要实现去除干扰、波形整形、锁相环等功能，便于实现准确计时；温度测量单元主要测量外界温度，实现温度补偿；显示单元实现测量数据的显示；单片机为控制单元，完成指令发送，接收数据，进行计算等任务。
3 系统硬件设计
3.1 超声波发射部分
本文中脉冲发射采用软件方式，利用AT89S51的P1.0口发射40 kHz的方波信号，经过74HC04放大后输出到超声波换能器，产生超声波。
74HC04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于LSTTL逻辑IC，它的功耗减少很多。
对于HC类型，其工作电压为2～6 V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS逻辑输入等特点。
本系统将40 kHz方波信号分成两路，分别由74HC04经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。
电路图如图2所示。
3.2 超声波接收部分
超声波接收部分采用集成芯片CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片。
内
部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。
可以利用它作为超声波检测电路。
接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，
实现准确的计时。
CX20106A的外部接线图如图3所示。
图3中1脚是接收信号输入端，2脚是调节接收信号灵敏度，电阻越小，灵敏度越高。
电容越大，灵敏度越高。
电容一般取1μＦ，电阻50～300 Ω的，在干扰较大的场合增加电阻阻值可将灵敏度调低，干扰小的场合减小阻值将灵敏度调高。
5脚主要用来调节中心频率，这里取200 kΩ，7脚接上拉电阻，这里取 1 kΩ左右。
3.3 显示部分
显示部分采用共阴极数码管，由单片机实现控制，单片机的P0口输出段码，P2口用作位码，用PNP型三极管驱动(本设计采用9018)，由于单片机I／O口的驱动能力非常小，P0口需外接上拉电阻来增加驱动能力，应用时要注意，在低电平时，可能由于电流直接经
电阻流进I／O的灌流太大而烧毁单片机，所以提升电阻一般取600～1 000 Ω。
实验证明，数码管亮度合适。
其原理图如图4所示。
3.4 温度测量部分
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，
体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，将其数据线与单片机的P1. 3相连，就可以实现温度测量。
测量的温度精度可以达到0.1℃，测量的温度的范围在-20～+100℃。
电路如图5所示。
4 系统软件设计
测距系统软件采用汇编语言，由发射脉冲子程序、用中断实现回波接收子程序、计算距离子程序、数码管显示子程序和计时单元延时子程序几部分组成，采用模块化编程。
其软件流程图如图6所示。
程序首先初始化需要用到的寄存器，内存单元，设置中断触发方式，并初始化DS18B 20，然后控制P1.0口输出12μｓ的高电平，再输出13μｓ的低电平，循环10次便可发射1 0个频率为40 kHz的脉冲信号。
经过一段延时后，CPU开放中断，开始计数，将计数器初值设为延时所经过的距离，计数器每过一个计时单元加一。
中断产生，停止计数，最后将计数器中的值数据处理后显示到数码管上。
如果计数器中的值小于预定值就由软件产生一定频
率的信号到蜂鸣器报警，并启动报警灯。
当需要所存数据时，由外部中断判断键盘是否按下，通过不断显示上次测量数据来锁定数据。
当检测到键盘再一次按下时，按取消锁存，并继续测量距离。
5 结语
应用本系统 3 mm～20 m内的目标做了多次测量，测量结果为，其最大误差为 1.5 m m，且重复性好。
可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测
量误差小等特点。
因此，它可用于许多对测量要求精度高，测量范围适当的设备和各种检测
系统中。