超声波测距系统设计毕业设计论文 - 图文(2)

西华大学毕业设计说明书

2总体方案设计

2.1方案比较

2.1.1方案一 雷达测距系统

LFMCW雷达的工作原理可以根据锯齿波调制为例来介绍，在理论上我们对其基于的“差拍-傅立叶”结构进行了的分析和仿真。图2.1所示的是LFMCW雷达的基本组成结构。

图2.1 LFMCW雷达的基本组成

LFMCW雷达测距系统主要包括射频前端子系统和信号处理及显控子系统两大部分， 其工作过程为：在FPGA中产生数字的锯齿波调制电压信号，经数模转换器转换成模拟 的调制电压加载到压控振荡器(VCO)上控制其产生等幅连续调频信号，然后经功分器分 成两路，一路至发射天线发射出去，另一路作为本振信号进入混频器与接收到的目标回 波信号进行混频，通过低通滤波器获得含有距离信息的差频信号，经模数转换后进入 FPGA进行处理，提取距离信息并显示。 2.1.2方案二 激光测距系统的设计

激光测距属于非接触式的测量技术范畴，原理是利用激光器向目标发射单次激光脉 冲激光脉冲串，通过测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间或相位， 计算目标的距离。激光测距的方法主要有以下几种：三角测量法、脉冲法、反馈法测距、 相位法、纵模拍频测距法、干涉法测距，从测量范围和技术成熟度方面考虑，相位法和 脉冲法可以优先选择。

本设计采用的方法是相位式测距法，激光相位测距中，通过把连续的激光进行幅度 调制，调制光的光强会做周期性变化，最后测定出调制光往返的相位变化就能求出距离

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西华大学毕业设计说明书 和时间。相位式激光测距的原理图如图2.2所示。

图2.2 相位式激光测距的原理图

2.1.3方案三 基于单片机的超声测距系统设计

近几年来，随着电子测量技术的不断发展，运用超声波技术精确测量距离已成为可

能。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它是属于机械波的一类。超声波也遵循一般

机械波在弹性介质中的传播规律，例如在介质的分界面处发生反射和折射，在进入介质 后被介质吸收而发生衰减等现象。正因为具有这样的性质，使得超声波可以去测量距离。 超声波测距的主要方法有脉冲回波法、频差法和共振法等。其中脉冲回波法是最为常用 的，它主要是对超声测距中回波信号的识别与处理，采用模拟方法，用电路来实现一系

列信号传输。发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在空气中传播至障碍物，经 反射后由超声传感器接收反射脉冲，可得超声波在介质中的往返时间t，即可算出障碍

物与超声波发射器的距离。 S=vt/2 (2-1)

设超声波发射器与接收器之间角度为θ，则如图2.3所示，被测物体实际距离

? (2-2) H?Scos其中对于θ，有

将(2-1)、(2-2)、(2-3)三式整理合并得

1LH?vtcos[arctg]2H (2-3)

??arctgLH (2-4)

当需要测量的距离H远远大于L时，近似认为H与S相等，可得

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西华大学毕业设计说明书 1H?vt2 (2-5)

由式（2-5）可知，因此容易得出，只需要测量出超声波往返时间，就可以算出发射器到障碍物之间的距离。

按照系统设计的功能要求，初步确定设计的系统由单片机最小单元模块、超声波发射接收模块、显示模块共四个模块组成。测距原理如图2.3所示。

图2.3 超声波测距系统原理图

在常温下，超声波的传播速度为340m/s ，但其传播速度v易受到空气中温度、湿度、

压强等因素的影响，其中温度的影响最大。一般温度每升高1℃，速增加约为0.6m/s。

由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果， 必须对波速进行温度补偿。

波速与温度之间的关系如表2.4所示。

表2.4 波速与温度关系表 温度（℃） 波速（m/s） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 313 319 325 323 338 344 349 386 由表2-1可得温度与波速得转换关系式：

v?331.5?0.607T （2-6）

式中 T ——现场温度；

v ——实际波速，

从上式可以看出，要提高测量精度，就得能够准确的测得波速，而波速又受介质中温度影响最大，所以必须首先测量环境中温度T的大小。环境温度的测量我们一般用DS18B20温度传感器测量读取。

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西华大学毕业设计说明书 2.2方案论证

方案一采用了线性调频连续波雷达(LFMCW)，LFMCW雷达是通过对连续波进行频率调 制而得到距离和速度信息的，采用LFMCW技术，可以在无接触情况下对被测物的距离及

速度进行测量。LFMCW雷达的主要优点是：（1）无距离盲区；（2）高距离分辨率；（3） 信号能量大、时带积大；（4）结构简单、工作电压低。同样LFMCW雷达测距也存在着缺

点，主要体现在两个方面，一是作用距离受限，二是距离-速度耦合的问题。 方案二利用激光来实现测距的功能，激光测距技术与传统的测距技术比较具有测量

精度高、准直性好、抗干扰能力强等一系列优点，广泛应用于遥感、精密测量、工程建 设、安全监测以及智能控制等领域，无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设

方面，都起着重要的作用。激光测距技术是基于对光波在本机与目标间渡越时间的计量 而感知目标距离的方法，属于“时基法”测距的范畴。根据计量本机与目标渡越的时间方

法的不同，可以把激光测距仪分成两种类型：脉冲式激光测距仪和连续式激光测距仪。 方案三采用基于单片机的超声波测距系统，超声波测距电路可以由传统的模拟或者

数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往调试困难、可靠性差、可扩展性 差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收

超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采 集环境温度进行测距补偿，其测量精度高、电路小巧、可靠性好、反映速度快。

2.3方案选择

位差来测定两点之间直线距离的方法。目前，测量距离的方法主要采用测量波在介质中传播速度与时间的关系。随着传感器和单片机控制技术的不断发展，无线检测技术已被

广泛应用于多个领域。目前，典型的无线测距方法有超声波测距、雷达测距、激光测距

等。激光测距具有高亮度、高单色性、高方向性、测量速度快等优势，尤其在雨雾天气

下有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。

无线测距指用无线电测量载机与某个目标或反射面之间的信号传播延迟、频率、相

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