超声波测距(高度定位控制和测量系统)3图俱全
超声波测距精讲.pptx
超声波发射电路模块
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发射模块工作原理
发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T组成， 单片机P1.0端口输出的40 KHz方波信号一路经反向器后送 到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到 超声波华能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号 加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输 出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻 R10,R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动 能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短 其自由振荡的时间。
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超声波发生子程序和接收中断程序
用单片机编程产生40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定 义一个延时函数delays()，然后可用for 语句循环，并且循环一次同 时改变方波输出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() {} //延时函数 void main() {for(a=0；a<200；a++) //产生100 个40KHz 的方波 {P36=!P36； //每循环一次，输出引脚取反 delays() ； } }
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超声波信号的检测与处理
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单片机系统及显示电路模块
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显示模块工作原理
单片机采用AT89C51，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。
超声波测距仪的设计与调试-接收部分PPT培训课件
如何实现高精度的测距，以及在多障碍物环境下如何准确判断障碍物的 位置和距离。
实际应用案例二
案例名称
机器人避障系统
描述
在机器人避障系统中，通过安装超声波测距仪，机器人能够实时感 知周围环境，检测障碍物的距离，自动调整行进路线，实现自主避 障。
技术难点
如何处理复杂环境下的噪声干扰，以及如何提高测距的实时性和准确 性。
接收部分的软件设计
数据采集
编写软件程序，通过ADC （模数转换器）实时采集 接收到的超声波信号数据。
信号处理算法
根据实际情况，设计适当 的信号处理算法，如滤波、 去噪、特征提取等，以提 高测距精度。
数据输出
将处理后的数据输出到显 示界面或通过串口发送到 上位机进行进一步处理。
03 超声波测距仪接收部分调 试
实际应用案例三
案例名称
管道检测系统
描述
在管道检测系统中，通过将超声波测距仪搭载在管道检测 设备上，能够实时检测管道内部的状况，如管道的腐蚀程 度、堵塞情况等。
技术难点
如何克服管道内部的复杂环境，如液体、气体等对超声波 传播的影响，以及如何提高测距的精度和稳定性。
THANKS FOR WATCHING
此外，随着物联网和智能传感器技术的发展，超声波测距仪 在智能家居、智能安防等领域的应用也越来越广泛。
超声波测距仪的发展趋势
未来，随着材料科学、微电子技术和算法的进步，超声波测距仪将朝着 更小、更轻、更准确的方向发展。
新型材料和制造工艺的应用将有助于减小测距仪的体积和重量，提高其 便携性和灵活性。同时，随着算法的改进和数据处理能力的提升，超声
等措施。
测量误差大
总结词
测量误差大是超声波测距仪常见的问 题之一，表现为测量结果与实际距离 存在较大偏差。
超声波测距 演示文稿 (2) 共25页PPT资料
超声在许多领域内比可听 声的用途更加广泛，是基于 以下凡个原因
1.具有方向性，超声波的频 率越高，则方向性越强。
2.在无损探伤、水下声纳系 统、超声测距系统中方向性
超声波测速原理
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。因为超 声波在标准空气中的传播速度为331.45米/ 秒，由单片机负责计时，单片机使用12M晶 振，所以此系统的测量精度理论上可以达 到毫米级。
J4 CON1
1
J1
U1
8 9C 51
8 7 6 5 4 3 2 1
1P1.0 2 3 4 5 6 7 8
P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17
J6 CON8 /K1E3Y
1
INT01 2
INT1/P 3 3 INT0/P 3 2
CON1
15 14
T1/P 3 5 T0/P 3 4
以下主要对发送电路、接收电路、显示电路与键盘的 接口电路的单片机管脚分配进行分析。
设计中我们使用1602C液晶来显示距离的数据变化、。 试验中我们选择MCU的I/O口P0和P2作为数码管的控 制端口。另外在发送电路和接收电路中采用CPU的11 管脚作为数据发送端和CPU的10管脚作为接收端。 EA（第31脚）为访问外部/内部程序内存选通信号。 由于程序量不大，利用89C51片内的4K程序内存足够， 不必使用外部内存，因此，EA接+5V。
二 调试开发环境 keil c51编译环境 单片机开发板
三 分析与设计
单片机电路原理分析 单片机电路在其中起决定性的中枢控制作用。 它首先负责对接收器接收到来自超声波接 受系统发来的数据，进行处理并且送入显 示电路。其次负责超声波发射器的发送控 制，此外单片机还负责对键盘的管理，实 现人机交互控制。
超声波测距精选PPT演示文稿
距离计算
距离计算公式： D=S/2=(V×t)/2
20
开始
系统初始化 发送超声波 等待发射超声波
计算距离 显示结果
21
重新开始
初始化
超声测距器单片机程序
/*--------------------------------------
MCU AT89C51 XAL 12MHz
--------------------------------------*/
❖ uchar tab2[]={0x01,0x02,0x04,0x08,};
❖ extern void cs_t(void);
❖ extern void delay(uint);
❖ data uchar dispram[5];
❖ void dΒιβλιοθήκη splay()❖ { int j;
❖ for(j=0;j<=3;j++)
❖ {P0=tab1[dispram[j]];
❖
P2=tab2[j];delay(2);
❖
}
❖
}
❖ data uchar testok;
22
主程序
❖ void main(void) ❖{ ❖ data uint i; ❖ data ulong time; ❖ P0 = 0xff; /*初始化*/ ❖ P2 = 0xff; ❖ TMOD = 0x11; /*工作方式选择*/ ❖ IE = 0x80; /*CPU开中断*/ ❖ while (1) ❖{ ❖ cs_t(); /*产生 40KHz的方波*/ ❖ delay(1); ❖ testok = 0; ❖ EX0 = 1; /*开外部中断0 */ ❖ ET0 = 1; /*开定时/计数器0 */ ❖ while(!testok) display(); ❖
《超声波定位讲解》PPT课件
超声波定位系统设计
二、单向测距法：单向测距法中由应答器和主测距器组成,主测距器放置在被测物体 上,在微机指 令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号,应答器在收 到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号,得到主测距器与各个应答器之间的距离。
单向测距发可以实现两点测距，当同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器 作出回应时,就可以计算出被测物体所在的位置。在相同的测量距离下,反射式测距法中 空气对超声波吸收较单向测距法中大,因此反射式测距范围较单向式测距范围小。
若以测得距离，根据算法便可得到待测物体的位置，实现定位。
3、定位算法简析
定位算法一
超声波空间定位方案一：
超声波发射器固定在待定位的物体 上，发射器按一定时间向周围发射超声 波脉,在其周围3个固定的位置安装超声 波接收器用以接收发射器发射的超声波 脉冲，利用超声波到达3个接收器的时间， 计算出超声波发射器的具体位置。如果 是移动物体，通过连续测量，就可描绘 出物体移动轨迹。
等方向当相电反压，作所用以于可压以把电压陶电瓷片时当，作就一会个电随荷电发压生和器频。率由的于变在 化晶体产的生上机下械表变面形聚。集电另荷一，方中面间，为当绝振缘动介质压，电可陶看瓷成时是，一则个会电 产一容器生片其一压S—电个电—容陶电压量瓷荷电为。和元件利一聚用个集这金电一属荷原片的理构表，成面C 当的面= 积给振εS；由动/d两器片（压双电压陶电瓷晶或片 元件）d—施—加压一电个元件电的信厚号度时；，就会因弯曲振动发射出超声 波产。生相一ε再—通反个—过，电压当 信电U元号向=q件/双。c的压基介便电于电可晶以常以片上数计元作。算件用出施，电压加便变超可化声以。振将动压时电，陶就瓷会用 作超声波传感器。
超声波测距PPT课件
控制系统软件流程图
超声波测距系统的软件设计
软件开发环境的简介
keil C51 ❖ Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系
列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil C51软件提 供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具， 全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编 译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的 目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码 很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高 级语言的优势。
ceil C51的开发界面
STC-ISP V3.1 软件下载界面
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 mm， 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。
❖ 单片机采用89S51或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟 频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输 出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利 用外中断0口检测超声波接受电路输出的返回 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 三极管驱动。
致谢
❖ 感谢大学四年里教过我的老师，不仅让我学 到了许多专业知识，更让我知道有严谨和勤 奋的学习态度，坚忍不拔的精神是多么重要， 最重要的是对人生的态度。
❖ 感谢我的导师对我毕业设计的悉心指导，提 出了很好的建议和提供很多帮助。
❖ 最后，感谢辩组的老师，谢谢！
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
《超声波测距传感器》课件
• 引言 • 超声波测距传感器的工作原理 • 超声波测距传感器的应用 • 超声波测距传感器的技术发展 • 结论
目录
Part
01
引言
主题简介
超声波测距传感器
利用超声波进行距离测量的传感器。
工作原理
通过发送超声波并测量其往返时间，计算目标物体的距离。
应用领域
机器人定位、自动驾驶、无人机避障等。
应用场景
在安全监控、智能家居、智能交 通等领域，用于检测入侵者、自 动门控制、车辆流量监测等。
优势与挑战
移动物体检测具有实时性好、响 应速度快、可靠性高等优点，但 同时也存在对噪声和干扰敏感的 问题。
液位测量
液位测量概述
01
超声波测距传感器常用于液位测量，通过测量液面与传感器之
间的距离，实现对液位的精确控制。
应用场景
02
在化工、食品、医药等领域，用于储罐液位监控、管道流量控
制等。
优势与挑战
03
液位测量具有测量精度高、稳定性好等优点，但同时也需要注
意传感器与液体介质的兼容性和防腐蚀等问题。
Part
04
超声波测距传感器的技术发展
技术进步与挑战
超声波测距传感器技术不断进步，测 量精度和稳定性不断提高。
面临的挑战包括如何进一步提高测量 精度、降低成本以及优化性能参数等
相比于其他传感器，超声 波测距传感器具有较高的 精度和稳定性。
实时性
能够快速响应并测量距离 ，适用于需要实时反馈的 场景。
成本优势
相比于激光雷达等高精度 测距设备，超声波测距传 感器成本较低。
主题的背景
STEP 01
技术发展
STEP 02
超声波测距 含51单片机程序与电路图1
超声波测距摘要该超声测距系统采用芯片STC89C52作为系统的主控制器，利用NE555作为本系统的脉冲发射源，结合3位7段数码管液晶显示，达到了较大的测试距离和较高的测量精度，并能实时显示且无明显失真。
关键字: 超声波测距实时第1章设计题目与要求1.1 设计要求采用压电式超声波换能器，使用单片机作为控制器，完成超声波测距仪的软硬件设计。
1.2 基本要求：(1)具有反射式超声波测距功能，测量距离0.1m~3.0m；(2)测量距离精度：误差±1cm；(3) 利用LED数码管显示测试距离；(4)实时显示测量的距离，显示格式为：□.□□米第2章系统总体方案论证2.1 系统总体方案题目要求设计一个利用超声波反射原理测量距离的超声波测距仪，并且具有实时同步显示，由此本系统可以划分为发射、接收、显示、主控制模块共四大模块，如图2.1所示：图2.1系统基本方框图针对技术指标的需要，为使系统的测量距离更远、精度更高，提高系统的整体完善性，现对以上系统各个功能模块进行一一的方案论证：2.2 主控制模块2.2.1 主控制模块概述主控制器模块其实就是一个简化的嵌入式系统。
嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。
它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
2.2.2 主控制模块方案选择根据以上知识，考虑到目前市场上比较常用的AVR、61、51三种微控制器，我们有如下三种方案可供选择。
方案一：AVR单片机AVR单片机种类丰富，有AT tiny、AT90S、ATmeg系列，各个系列又有不同的型号，价格较适中。
相对来说，比起51单片机来说资源较丰富，内部也有集成A/D ，有PWM 输出，但在系统进一步扩展方面不是很好，这类单片机主要应用于工业控制领域，在语音处理方面没有什么优势。
方案二：SPCE061A.凌阳单片机的资源相对来说比较丰富，32K ×16bitFlash ，两路D/A ，1个全双工异步串行口（UART ）方便其跟其他为控制通信。
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目录摘要 (2)第一章系统总体设计方案 (4)1.1 超声波测距原理 (4)1.2 超声波测距系统 (4)第二章系统的硬件设计 (5)2.1 超声波发生电路 (5)2.2 超声波接收电路 (6)2.3 温度的补偿 (8)2.4 LED动态显示电路 (8)第三章系统软件设计 (9)3.1 主程序结构 (10)3.2 中断程序结构 (11)3.3回波接收程序 (11)第四章误差分析 (12)4.1.时间误差 (12)4.2.超声波传播速度误差 (12)第五章调试 (12)第六章整机原件清单 (13)第七章总结 (13)7.1设计任务完成情况 (13)7.2 心得体会 (14)参考文献 (15)附录一 (16)附录二 (17)附录三 (18)摘要高度定位控制和测量系统也就是我们常说的超声波测距。
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。
而电子技术及压电陶瓷材料的发展，使高度定位控制和测量系统得到了迅速的发展。
超声测距是一种非接触式的检测技术。
与其它方法相比，它不受光线、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。
因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等有广泛应用。
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，具有很高的分辨率，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。
关键字：传感器、测距、测量系统、设计、高度定位PICKHighly positioning control and measurement system is also we often say the ultrasonic ranging. Due to the strong, the energy consumption of ultrasonic directivity slowly in the medium of communication, distance, and is often used to measure the distance of ultrasonic, such as rangefinder and material level measurement instrument etc can all through the ultrasonic. And electronic technology and the development of piezoelectric ceramic materials, high positioning control and measuring systems have been developed rapidly.Ultrasonic ranging is a non-contact detection technologies. Compared with other methods, it is light and darkness, the analyte in dust, smoke, electromagnetic interference, toxic etc harsh environments have certain ability to adapt. Therefore, in robot control level measurement, vehicle navigation, automatic object recognition is widely used. Especially the application in the air, the air velocity range due to low, the echo signal along the direction of propagation of contains information on the structure, very easily with high resolution, and its accuracy is higher than other methods for, And the ultrasonic sensor has simple structure, small volume, the characteristic such as being reliable signal processing.Key words: sensor, and measurement system, the design, the high position第一章系统总体设计方案1.1 超声波测距原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度其中，取值在温度变化不大时可取344m/s ；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度，在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度，所以就需要对相关电路等进行具体细致的改进。
1.2 超声波测距系统一般的超声波测距系统由超声换能器、换能器驱动电路及数据采集系统组成。
超声换能器是用来发射和接受超声信号；换能器驱动电路用来产生一定频率的交变电压作为换能器的工作电源；数据采集系统用于捕捉、采集回波信号，一般由触发电路、采样电路、微处理器组成。
如LM1812是一种超声波测距的专用集成电路，它拥有换能驱动、回波触发等功能。
如图1.1，为超声波测距系统框图，由发射传感器和接受传感器，振荡电路、时基电路，距离识别电路等组成。
振荡电路、时基电路由LM1812完成。
第二章系统的硬件设计2.1 超声波发生电路超声波的回波信号较弱，在距离远的情况下只能达到毫伏级。
所以为了加大超声波测距系统的量程范围就要加入驱动电路。
一般采用MAX202双路形式来增±V。
图中的三极管可作为强驱动形式，其中T1out和 T2out电压值可达到9MAX202的开关，用单片机引脚P0.4控制。
T1in和 T2in来自单片机，经过202输出负逻辑电平。
T1in和 T2in以80KHz频率高低电平正负交替变换时候，在±V交替变化，如此T1out和 T2out之间就会产生40KHz的方波，引脚电压在10就增强了驱动能力。
如下图2.1超声波发生电路图。
三极管为开关，在发射完10个超声波后可以关闭MAX202，这样可以减少电源带来的一定的干扰。
2.2 超声波接收电路超声波接收电路图，如下。
为了提高精度，减少干扰，设计中采用了抗干扰技术对电路的供电进行了一定的处理。
运放采用双电源供电，这一电路采用了9V供电，所以运放提供了2.5V 的正向电压，如此就使交流信号正负端等价进行放大。
超声波接收时，电容起滤波作用，信号进入放大后被传送到LMV331.如此，比较器的输出端得到40KHZ的方波被输入单片机INT0用来产生中断计时。
其中，第一级放大20倍左右，第二级放大10000倍（均值）。
减小盲区就是通过在发射超声波之前做一次循环指令将增加到最大值来实现。
比较器这一部分调节不当也会出现大问题（输出端会有高频输出），这是因为比较器相对灵敏，变化小的信号就会引起大的输出，使VOH和VOL 相互转变。
实验中一般用比较器的正反馈产生滞环特性来降低比较器的灵敏度，这样就减少了干扰。
另外，比较器的输入端需要稳定的基准电压，所以要加电容，用来稳定电压和提高电路工作的稳定性。
2.3 温度的补偿温度对超声波速度影响很大。
使用DS18B20进行温度测控，它的测量范围宽，精度高。
近似计算公式为：V=331.4+0.6Tm/s （V为超声波在介质中传播的速度）2.4 LED动态显示电路下图为LED显示电路，为了增加亮度，可以采用74HC245加以增强驱动能力，在共阴端用ULN2003来驱动。
4位LED动态显示需要一个7位I/O口和另外4位I/O口，其中一个控制段选码，另一个控制位选码。
由于所有位的段选都有一个I/O口的控制，因此每个瞬间，只能显示相同的字符，可采用扫描显示方式使在每一瞬间只使某一位显示相应字符，即LED的动态显示。
第三章系统软件设计系统软件要实现的功能主要是针对系统功能实现及数据的处理和应用。
根据以上叙述，系统软件需要实现以下功能：信号控制、数据储存、信号处理、数据传输与显示。
整个系统软件功能的实现可以分为主程序、子程序、中断服务程序几个主要部分。
而在这几个部分中，最主要的、难度最大的就要数主程序结构了，它的设计好坏直接关系整个课题的效果。
3.1 主程序结构主程序是单片机程序的主体，整个单片机端系统软件的功能的实现都是在其中完成的，在此过程中主程序调用了子程序和中断服务程序。
主程序流程如下图：3.2 中断程序结构中断服务程序是响应单片机的外部中断。
在系统硬件中，发射的40KHz脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中断信号至单片机。
在中断服务程序中要从把进入中断服务程序处的计数值读出并保存在RAM中，再对该数据进行处理，计算得到相应的距离值，并转换为十进制，最后显示输出。
3.3回波接收程序回波接收程序流程图：第四章误差分析根据超声波测距公式L=C×T，可知测距的误差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。
4.1.时间误差当要求测距误差小于1mm时，假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温)，忽略声速的传播误差。
测距误差s△t ≈0.0000029s即2.9ms。
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1mm的误差。
4.2.超声波传播速度误差超声波的传播速度受空气的密度所影响，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。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。
例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s。