超声多向障碍物探测系统

1、本 科 毕 业 设 计（论 文）学院(部)电子信息学院题 目超声多向障碍物探测系统目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 绪 论31.1 超声障碍物探测概述31.2 课题研究背景及现状41.3 课题研究内容及方法4第2章 超声多向障碍物探测系统结构62.1 系统结构与模块组成62.2 超声多向障碍物探测系统的方案与电路设计72.2.1 控制单元72.2.2 温度采集模块92.2.3 超声波模块102.2.4 数据通讯及显示模块102.2.5 声光模块112.3 硬件电路的设计与制作122.3.1 器件清单122.3.2 PCB的设计与实物制作12第3章 超声多向障碍物探测的软件实现153.1 超声多向障碍物探测系统的工作流程153.2 模块的配置及功能设计163.2.1 环境温度的采集163.2.2 超声波模块的驱动183.2.3 单片机与PC间的数据传输213.2.4 显示部分233.2.5 声光警报243.3 探测精度与响应速度的优化和改进243.3.1 系统探测精度的改进243.3.2 系统响应速度的优化25第4章 超声多向障碍物探测系统的验证实验274.1 实验内容274.2

2、测量结果及数据分析274.3 实验结果的呈现29第5章 总结与建议31参考文献33致 谢35摘 要本文研究的是基于单片机的超声多向障碍物探测系统，其核心内容是利用超声波进行距离测量，在量程范围之内监测物体距离，并反映距离信息，从而实现障碍物探测的功能。这样的距离探测系统的应用也非常普遍，比如扫地机器人、汽车、船舶等自动化和智能化领域。超声波的距离检测相较于雷达、激光、红外等其他常用的测量手段有着不可取代的优势。本系统利用市场上常见的超声波模块设计了多个方位的探测，并以PIC系列单片机作为系统控制的核心，实现系统自主有效地运行。单片机控制及驱动超声波模块发射超声波，并接收模块的反馈信号，依据反馈信号的脉冲宽度得到超声波往返的时间，从而计算出超声探测的距离。考虑到环境温度对于超声波在空气中传播速度的影响，系统增加了温度检测模块对环境温度进行测量，并在计算障碍物距离时进行温度补偿，以提高系统探测的精确度。本文还设计并实现了单片机与PC机之间的串行通信，可将系统探测结果传输至电脑上并加以显示。文章分析了影响系统的探测精度与系统响应时间的相关因素及二者间相互制约的关系，且在两者间做出了一定的平衡

3、，以期提高系统的整体性能。 关键词：单片机，超声波探测，距离测量，多方位，串行通信ABSTRACTThe study in this paper is based on Single-Chip-Microcomputer of ultrasonic detection system. The core content of this study is the use of ultrasonic distance measurement, monitoring the distance of objects within the range of system, and showing the information of the detecting result, to realize the function of the obstacle detection system. Such distance detection systems are so widely used that we can see them everywhere in our lives, such as

4、sweeping robots, cars, ships and many others automation and intelligence fields. Compared with other commonly used ranging methods, such as radar, laser and infrared, ultrasonic distance has more obvious advantages. The system in this paper uses the common ultrasonic module in the market to design the detection of multiple directions, and use the PIC series single-chip-microcomputer as the core control of the system to make the system autonomous and effective operation. The control of MCU drives

5、 the ultrasonic module emitting ultrasonic and the receiving the feedback signal, so as to calculate the pulse width of feedback signals, which means the time ultrasonic back and forth between the ultrasonic module and the obstacle we need to detect. Considering the effect of environment temperature on the propagation velocity of ultrasound in the air, the temperature detection module has been added into the system to measure the temperature of environment and do the temperature compensation whe

6、n calculating the distance of the obstacle, so that the accuracy of this detection system can be improved. The detection result will be transferred to the computer and displayed to realize the communication between the MCU and the computer. In the end of this paper, the factors that affect the detection accuracy and response time of system, and how to makes a balance between them have been referred and analyzed, thus improving the superiority of the system. Keywords: Single-Chip-Microcomputer, u

7、ltrasonic detection, distance measurement, multiple directions, serial communication- 35 -第1章 绪 论本章节主要介绍了超声障碍物探测系统的原理和应用等背景，同时简述了课题当前的研究方向和研究现状，并以此为依据提出了本文的研究内容和设计思想，同时说明了设计的原理和方法以及文章大致的结构安排。1.1 超声障碍物探测概述超声障碍物探测主要应用于汽车、船舶、机器人、车库等各种需要非接触式距离探测的场合，跨域了工业、电子、军事等各个领域。其本质就是对距离的探测，所以系统的核心就是超声波测距。相较于红外检测、雷达探测还有激光测距，超声波因其良好的方向性、耗能缓慢、受外界干扰小、以及较大的传播范围等特点有着明显的优势，从而广泛地被应用于各种测距场合1。超声波作为一种高频率的声波，在介质中的传播速度是可以探测的。利用超声波进行障碍物探测可以说是利用了超声波最广为人知的特性。1793年的一个夏夜，斯帕拉捷从蝙蝠夜间灵巧的捕食中注意到它们敏锐的视线，通过21年的实验终于将超声波带到世人的眼中。超声波探测正是是从这个

8、故事中受到了启发，模拟蝙蝠发射出超声波去探测周围的物体，定位障碍物方位。由于超声波触碰到障碍物就会立即折返，在超声探测系统静止或低速运动的情况下，以系统为原点，则从声波的发生到再次接收的这个时间间隔就是声波从障碍物到原点来回往返的时间差。在声速已知的情况下，系统很容易就能够计算出障碍物的距离。超声波触碰到障碍物能够立即几乎原路折返的特性是由其传播特性决定的。众所周知超声波得名是由于其频率的下限要高于人耳的可听范围，也就是说超声波往往具有高于一般声波的频率，相应的其波长也要比普通声波来的短，与此相反，通常障碍物本身的波长要远高于普通声波，高频率短波长使超声波在传播时产生很高能量同时也给它带来不那么强的衍射能力。因此，在超声波传播的过程中，在传播介质的密度一定的情况下，其基本能够沿着直线进行传播，波长越短、频率越高，其直射能力也就越强，如此的传播特性为超声波贴上了方向性好的标签。在如今电子工业皆趋向自动化、智能化的时代，距离探测作为研发者赐予产品的眼睛，成为一项不可或缺的功能。在这样一个大环境下，超声障碍物探测只会拥有更多更大的舞台去发挥更加耀眼的作用。1.2 课题研究背景及现状超声测距在

9、性能和经济上的诸多优点无可避免地为其带来了广泛的应用，所谓市场推动着技术的发展，对于超声测距这方面的研究越来越多，超声测距的技术也在各种改进方法之下得以不断地提升。测距系统精度方面的改进得到了大多数研究人员的青睐，这一指标可以说是决定着整个系统性能的关键角色。从超声测距电路的设计看，整个系统电路由接收/发射传感器、发射电路、接收放大电路、回波信号处理电路以及单片机控制电路组成2。电路的设计相对来说简单明了，易造成误差的原因在于超声波在介质中传输时会产生一些反射、散射现象，同时声束本身也存在着一定的扩散现象，其声强会随着传播距离的增加而衰减，因而要提高精度就需要在回波信号上下功夫。处理回波信号的方法一般基于算法的研究。互相关函数算法3旨在消除换能器频率特性理论与实际的误差和由信道传递特性产生的误差，经过不断地创新与尝试，新的算法解决了传统算法上计算复杂的缺陷。小波分析法4对回波信号进行峰值监测，通过分析时间与尺度的关系过得平滑有效的回波包络5，提高了系统的分辨率。对于类似算法的研究不绝于此，算法的性能也日趋成熟。与回波信号接收相对应的是超声波的发射。这方面的研究分为超声换能器的改进和发射脉冲的控制。超声波换能器的改进主要针对其材料的研究以弥补现用材料带来的不足6。不同的超声脉冲发射会使得接收端检测到的回波信号也有一定的差异。一般来说，窄的回波脉冲具有高的分辨能力，而宽的脉冲具有更强的检测能力。脉冲压缩技术和双频超声测距技术只能兼顾其一，无法满足更高精度的要求7。目前对于超声波测距的设计还有很大的研究空间，对于无法改变的因素，如超声波传播速度受环境的影响以及回波信号传输过程的衰减，需要提出更好的针对性方案进行补偿。此外，超声波发射后的传播角度以及余震等因素不可避免带来一定的盲区8，如何减小探测盲区也是研究的热门课题之一。1.3 课题研究内容及方法本文

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