基于51单片机的超声波测距毕业论文(7)

在同一位置处多次重复测量xi，然后取平均值x作为测量的真值[10]。 提高测距精度的方法

上节分析了超声波测距系统误差产生的一些原因，如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下：

1. 合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。

据经验，超声测距的工作频率选择40kHz较为合适；发射脉宽一般应大于填

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充波周期的10 倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快，脉冲发射周期可选短些。

2. 在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节。 因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用AGC电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。

3. 提高计时精度，减少时间量化误差。

如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率6MHz时，计数频率为0.5MHz，此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小[11]。

4. 补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。

温度传感器LM92的温度测试分辨率为0.0625℃，－10℃至+85℃准确度为±1.0℃，I2C总线接口。用AT89C51的通用I/O端口能很容易的模拟I2C总线的读写时序，LM92高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。

由LM92温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距已应用在各种高精度测距的场合，如自动气象站中水气日蒸发量的测试、自动任意形状物体密度测试仪等，它具有测试速度快，能达到毫米级的测量精度等优点，在工程上的开发与应用前景广阔[12]。

5.4本章小结

在本章里，对设计的电路进行了调试和分析。对于测距系统来说，误差是不可避免的。如何减小系统的误差，是设计测距系统必需要考虑的问题。本章分析了各种产生测量误差的原因以及解决办法，以更进一步提高超声波测距系统的测量精度。

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结论

本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。给出了硬件和软件的设计方案。

超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工作原理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用Atmel公司生产的AT89C51芯片。驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC04六反向器，通过它对单片机产生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LED显示部分采用的是静态扫描方式，并用单片机软件译码。单片机内部采用C语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。

本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从20cm到200cm，测量精度在±10cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。

总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。

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致谢

首先感谢我的导师罗垂敏老师，在罗老师的耐心指导、帮助下，我才能顺利完成毕业设计。从电路的设计到调试整个过程中，我都从罗老师那里学会了很多专业方面的知识。

还要感谢老师和关宇东老师，在我的毕业设计中给单片机烧录程序，两位老师为我提供单片机编程器以及对我的细心指导，衷心感谢他们。

感谢主楼六楼实验室的各位老师和师兄们为我提供单片机仿真器和示波器等实验仪器，没有他们的支持和帮助，我的毕设也不能顺利进行。

感谢在毕设中帮助过我的所有同学和师兄师姐们。 最后感谢我的家人、朋友对我的支持。

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参考文献

1.刘凤然.基于单片机的超声波测距系统.传感器世界.2001,5:29-32

2.葛健强.基于CPLD的超声波测距仪研制. 无锡商业职业技术学院学报.2004,4(3):8-10 3.何希才,薛永毅.传感器及其应用实例.机械工业出版社,2004:138-152 4.胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社,2004:27-46

5.吴斌方,刘民,熊海斌.超声波测距传感器的研制.湖北工学院学报.2004,19(6):26-28 6.谭洪涛,张学平.单片机设计测距仪原理及其简单应用.现代电子技术.2004,18:94-96 7.Peter Hauptmann, Ralf Lucklum, Bernd Henning. Ultrasonic Sensors for Process Control. Sensors Update.1998,3: 163-207

8.赵占林,刘洪梅.超声波测距系统误差分析及修正.科技情报开发与经济.2002,12(6):144-145

9.J. Otto. Sensors for Distance Measurement and Their Applications in Automobiles. Sensors Update.2002,10:231-255

10.苏炜,龚壁建,潘笑.超声波测距误差分析.传感器技术.2004,23(6):8-11

11.罗忠辉,黄世庆.提高超声测距精度的方法. 机械设计与制造.2005,1:109

12.秦旭.用LM92温度传感器补偿的高精度超声波测距仪.电子产品世界.2003,6:58-59 13.Yusuke Moritake, Hiroomi Hikawa.Category Recognition System Using Two Ultrasonic Sensors and Combinational Logic Circuit. Electronics and Communications in Japan.2005,88(7):33-42

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附录1

采用双超声波传感器和组合逻辑电路的种类识别系统

在这篇文章里，我们使用一种技术，它用来从被反射出的超声波认出一种材料并且使用两台超音速飞机传感器提议一个种类识别系统。在这个系统里，被反射出的波形被作为二维的图像，并且属于那个种类的一个目标是瞬间模式从参考数据到一条组合的逻辑电路中匹配认出的。在这个系统里，信息的结合例如物体的材料，角度和距离被作为识别种类确定。模式匹配被从参考数据直接创建的一条组合的逻辑电路所携带。根据提议的方法完成标准的波形数据的识别试验来证明提议系统和它的效力的特征，被适用于在具体的状况下的识别。由于5种原料作为种类下落，获得的结果显示了一个差不多100%的识别率，并且当种类是倾向于材料，角度和距离的结合时，高的识别结果是为几乎所有的材料获得的。

1．介绍

传统的图样识别是基于一种未知的模式和以知模式之间的一次距离计算。在两种模式之间的距离被连续计算，并且这种未知的模式属于的种类是基于结果的估计之上[1,2]。因此，如果模式的数量或者种类的数量增加，计算时间变长并且执行实时识别和高速处理时变得尤其复杂困难。为了达到实时处理，一种传统方法和大规模的硬件供应是必要的。为了解决问题，使用基于VLSI的组合的逻辑电路的一种模式识别方法已经被提出[3]。这种方法使用一种遗传算法(GA)，由GA设计组合的逻辑电路和从模型数据中直接创建模式识别的一条集成电路。因为这种方法在原理平台的最优化里使用GA，需要极其长的时间设计电路。因此，我们为更简单的模式比较这种组合的逻辑电路提出一种设计方案[4]。这被用于一个系统， 那就是从超声波传感器的波形数据材料识别，目标材料作为识别种类。自从用这种方法从模型数据中创造了一个直接电路，一个识别电路可能在比利用CA方法更短的制作时间内被创造出来。

超声波传感器经常被作为机器人里的修正距离的传感器使用，目的是为了在不能使用光学传感器的水下或夜间环境下起度量作用，并且在形状信息难像玻璃或者不锈钢那样用光学方法捕获的对象的识别过程中[5,6]。通常，信息从用超声波传感器反射出的波以只存在或者不存在量程范围内的障碍或者远离目标信息中获得。不过，研究已经通过使用来自从超声波传感器获得的信息的神经网络来识别目标的形状[7-9]。在裁判员4的系统里，快速傅里叶变换算法(FFT)反射波的波形被用作种类识别的一个特征。首先，一台单个的超声波传感器用来测量一个对象的被反射的波。属于未知数据的种类通过一种涉及到这个反射波的FFT波形的模式匹配来进行推断的。模式匹配被假设为使用一条组合的逻辑电路。我

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