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超聲波測距范文1
關鍵詞：監測；報警；超聲波；非接觸性
1 概述
運輸皮帶是物料短途運輸的重要設備，廣泛應用于礦山、農業、食品、煙草等生產行業。皮帶跑偏是運輸皮帶作業過程中最為常見的故障，其危害性極大，皮帶跑偏輕則造成撒料、皮帶磨損；重則由于皮帶與機架劇烈摩擦引起皮帶軟化、燒焦甚至引起火災，造成整個生產線停產。所以及時、準確地檢測皮帶跑偏具有非常重要的意義[1]。
目前皮帶跑偏檢測主要的方法是使用跑偏檢測開關，即行程開關。使用時將行程開關成對安裝于輸送機頭部或尾部，當皮帶跑偏時皮帶邊緣接觸壓迫行程開關觸頭產生移動觸發報警。跑偏檢測開關是機械式開關，采用接觸式檢測方式，當其應用于如煤礦井下等較為惡劣的生產環境時，極易被煤塵、泥污、油泥等影響，易發生誤報、漏報等故障。因此，跑偏檢測開關的故障率較高。為保障跑偏檢測開關正常工作，需專職人員人工對開關進行定期維護，使用的人力成本較高。
文章在于提供一種基于超聲波測距的皮帶檢測報警裝置，是采用非接觸式檢測原理的、運行可靠、便于實施、維護成本低的檢測運輸皮帶跑偏的新設備。
2 工作原理分析
超聲波監測報警裝置如圖1所示，主要包括超聲波測距單元、人機交互單元、數據處理單元、通信單元和報警單元。通過超聲波測距儀測量獲得超聲波測距傳感器至皮帶的邊緣距離，以此來判斷皮帶是否跑偏?；诔暡y距的皮帶監測報警裝置安裝如圖2所示。
超聲波測距儀（102）工作原理：
超聲波測距儀主要是由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發射模塊、接收模塊所構成。超聲波測距可以用相位檢測、聲波幅值檢測、渡越時間檢測。相位檢測法的精度最高，但測距量程不高，聲波幅值檢測受介質影響較大，因此，目前超聲波測距一般采用渡越時間法，因此，文章采用的是渡越時間法進行超聲波測距[2]。
渡越時間法：利用超聲波發射器向某一方向發射超聲波， 在發射時刻的同時開始計時， 超聲波在空氣中傳播， 途中碰到障礙物就立即返回來， 超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。
3 具體實施方式
（1）所述監測報警裝置如圖1所示實施例中，包括：
超聲波測距單元（101），采用測距距離大于3米的小波束角發射接收一體化超聲波測距傳感器（102），可采用深圳導向機電技術有限公司的KS109超聲波測距模塊。
通信單元（103），包括輸入端口（104）和輸入端口（105），數據輸入端口接一超聲波測距傳感器（102）發送的測量數據，采用I2C總線通信方式。數據輸出端口將數據發送給其它設備，采用RS485通信方式與報警單元、皮帶控制設備（如PLC）及其它監控設備連接[3]，當皮帶跑偏時發送報警信號控制皮帶停止運轉，保護相關設備。
人機交互單元（106），包括顯示屏（107）和按鍵（108），顯示屏采用兩行點陣型LCD液晶顯示模塊，視域尺寸：60.5×18.0mm，54.8×18.3m。
報警單元（109），采用聲光報警器（110）具有喇叭和報警燈，實現聲光報警功能，通過RS485接口與通信單元連接通信。
數據處理單元（111），處理器（112）用于執行數據比較處理工作，實施時可使用MCU，也可使用FPGA實現。
輔助電路（113），除以上提到的各單元設備外，裝置還包括電源電路等輔助電路和相關元件，為各單元設備元件提供支持，如在煤礦井下使用下所有元件及電路應符合本質安全要求。
（2）所述監測報警裝置安裝示意圖參考圖2。
超聲波測距傳感器（203）分別安裝于位于支架（202）上，位于運輸皮帶（201）兩個邊緣上方，且安裝高度相同，安裝高度高于物料高度，為保證監測精度超聲波測距傳感器應盡量靠近皮帶表面；兩個超聲波測距傳感器中心位置連線垂直于皮帶運行方向。除超聲波測距單元的其他單元元件集中在裝置殼體（204）內，裝置殼體可安裝在的支架上。
（3）監測報警的具體實施步驟如圖3所示。
（301）判斷裝置是否已經校準，如未校準，則進行位置校準（302），如已校準則執行（303）。直接檢測。
（302）位置校準，校準時需對位置正常的皮帶使用超聲波測距設備進行測量，獲得超聲波至皮帶的邊緣距離AL和AR，計算AL-AR，如|AL-AR|>G，則調整支架（202）傾斜度使|AL-AR|
（303）通信單元接收超聲波測距儀測量獲得超聲波測距傳感器至皮帶的邊緣距離BL和BR。
（304）數據處理單元比較器通過比較實時皮帶的邊緣距離，如
|BL-BR|>F，則執行（305），否則返回（303）。
（305）判斷BL-BR是否大于零，如大于零則皮帶向右跑偏，如小于零則向左跑偏。
（306）裝置聲光報警并在顯示器顯示相關信息，并向皮帶控制設備發送控制信號。
4 結束語
文章利用超聲波測距儀提供一種基于超聲波測距的皮帶監測報警裝置，采用非接觸式檢測原理，運行可靠且維護成本低。通過具體實施能夠準確監測皮帶是否發生跑偏，從而保證了生產線的安全。該裝置涉及超聲波測距和通信等領域。
參考文獻
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[2]JosephCJackson，Summan R.Time-of-Flight Measurement Techniques for Airborne Ultrasonic Ranging[J].IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS.2013，13（19）：75-90.
超聲波測距范文2
關鍵詞：超聲波；測距；小車設計；測量技術
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）17-0246-02
近幾年電子測量技術逐步發展，現在已經能夠成功地運用超聲波來精確測量距離。超聲波測距不會受到被測量對象以及所在空間的光線影響。超聲波檢測還可以對各類液體裝置的位置距離和里面的材料位置高度進行比較，從而設定它們之間的距離差值并且直接顯示。因此，在現如今科技飛速發展的時代，我們可以把超聲波測距系統更廣泛具體的用在汽車的行駛與防撞上?；诖朔矫?，設計在超聲波測距的基礎上加了跟隨小車。
1系統原理及硬件介紹
系統實現了基于AT89C52單片機的小車智能跟隨功能。為此，設計了超聲波測距模塊、定位模塊以及無線電通信實時控制跟隨。這套系統采用硬件電路設計和軟件設計相結合的方式，具有模塊化和多用化等特點。除此之外，用超聲波檢測更容易實現同步及時的控制，因為它方便又迅速并且計算起來還簡單，所以其能夠達到工業實用對測量精準度的要求。
1.1系統原理
在智能小車上裝兩個超聲波發射探頭，人身上再帶著一個接收探頭。通過測距算法算出距離。當超過一定距離時，小車收到報警跟上人的步伐前進，實現跟隨。
超聲波測距工作流程框圖如下圖1所示：
1.2硬件設計
硬件系統主要有超聲波數據采集模塊、小車驅動模塊、主控器和報警模塊組成。系統硬件部分的整體框圖2如下所示：
小車的運動控制由電機驅動模塊以及單片機最小系統組成。智能小車以AT89C52為核心，經過焊接相關芯片然后用電路板自制而成。它通過無線通信接收測距系統發送來的控制信號，再輸出信號到L293D，從而驅動直流電機控制其行駛。小車驅動電路采用的是基于雙極型H橋型脈寬調制方式（PWM）的集成電路L298N，它的內部有兩個高電壓、大電流橋式驅動器。
系統采用的是HC-SR04超聲波測距模塊。該模塊可以提供2cm-400cm的非接觸式的距離感測功能，測距精確度可以達到3mm【1】。HC-SR04超聲波測距模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。
超聲波發射模塊原理圖如下圖3：
超聲波接收模塊輸出信號原理圖如下圖4：
測距系統是采用IO口TRIG觸發來檢測距離。給至少10us的高電平信號輸入，然后該模塊會自動發送8個40kHz的方波，并且會自動檢測是否有信號返回。若有信號返回，那么會通過IO口ECHO輸出一個高電平，則高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。則測試距離=（高電平時間*聲速（340m/s））/2?！?】
2主要技術
2.1超聲波測距技術
超聲波在空氣中的傳播速度大約是340m/s，根據計時器記錄的時間t，便可計算出發射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。
上式中：H表示超聲波兩個探頭之間中心距離的二分之一。
而超聲波的傳播距離為：
上式中：v表示超聲波在空氣中的傳播速度；
t表示超聲波從發射到接收所需要的時間。
把式（2）、（3）代入式（1）中便可以得到：
中，超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數，如果當被測量的距離L遠遠大于H時，則（4）變為：
因此，只要測量出超聲波的傳播時間t，就可以計算出所要測量的距離L【3】。
為了保證測量距離的準確度，需要設計一個溫度補償電路?？諝庵新曀倥c溫度的關系可以表示為【4】：
v=331.4×
式中，T為環境攝氏溫度℃。
該溫度補償電路系統采用了National Semiconductor所產生的溫度感測器LM35。其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系，即0℃時輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。
2.2定位技術
定位節點由超聲波模塊、無線通信模塊、微處理器模塊、電源模塊部分組成。超聲波發射器通過單片機控制時序，然后向四周擴散信號來搜索需要定位的節點。超聲波發射的射頻信號的傳輸時間是可以忽略不計的，因為它的速率比超聲波的速率要高很多。所以如果同時發送射頻信號和超聲波信號的話，需要定位的節點會先收到發送來的射頻信號然后九年開啟超聲波的接收模塊并同時啟動定時器，再之后接收模塊接收到超聲波的同時停止定時器。由此，超聲波發射器再通過測量超聲波與射頻信號之間所用的時間差，從而來計算發射點與需要定位的節點之間距離。
2.3跟隨技術
通過超聲波測距原理，再加上三角形定理，在智能小車上裝兩個超聲波發射探頭，人身上再帶著一個接收探頭。根據測距算法算出距離，當超過一定距離時，小車收到報警跟上人的步伐前進，實現跟隨。
3系統測試與誤差分析
3.1系統測試
設計主要是基于超聲波測距來實現智能小車的跟隨，所以可以觀察不斷改變人與小車的距離時小車反應所需要的時間。實驗在20℃環境下進行，實驗結果如下表所示：
3.2誤差分析
3.2.1誤差來源
引起小車不同距離下響應的時間不同的原因有很多，一般有以下三種主要的誤差來源：
（1）超聲波信號在傳播的過程中會減弱；
（2）從收到聲波到被檢測出會存在一定滯后；
（3）啟動計時和啟動超聲波發射之間存在一定的偏差。
3.2.2減少誤差措施
針對出現的第一個問題，所采用的解決辦法是用TL852電路進行聲波檢測。因為它可以變增益，利用單片機來根據時間去控制聲波信號。至于第二個問題，可以采用設置多個探頭的辦法。關于啟動計時和啟動超聲波發射之間存在偏差的問題，則可以用無線電作為反饋信號【5】。
4 結論
介紹了超聲波測距原理及小車跟隨原理，運用超聲波傳感器及無線通信實現了小車同步跟隨。通過實驗可見，小車反應靈敏，能與人保持約5米之內的距離同步跟隨。設計的創新之處與所取得的主要成果是：具有多用化的特點。設計中的超聲波測距模塊能夠應用于機器人的距離信息采集、汽車防撞測距等眾多方面。因此具有很大的移植應用價值。
參考文獻：
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超聲波測距范文3
（江蘇省靖江中等專業學校，江蘇 靖江 214500）
【摘 要】超聲波測距技術在社會生活中己有廣泛的應用，超聲波測距傳感器在車輛避障與安全預警系統、車輛自動導航和現場機器人等專題中具有廣闊的應用前景。本文根據超聲波特征及測距原理，完成了一款以單片機為核心的基于時差測距原理的一種超聲波測距系統的軟硬件設計。
關鍵詞 超聲波；距離測量；單片機
0 引言
超聲波作為一種檢測技術，采用的是非接觸式測量，此特點可使測量儀器不受被測介質的影響[1-2]。這就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質的被測物對測量儀器腐蝕，觸點接觸不良造成的誤測情況。且對被測元件無磨損，使測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，而且還降低了能量消耗，節省人力和勞動的強度。無論從精度還是從可靠性方面，超聲波測距做得都比較好[3-4]。利用超聲波檢測即迅速，方便，計算簡單，又易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求,具有廣泛的發展前景。
這些年來，隨著超聲波技術研究的不斷深入，超聲波的應用變得越來越普及。目前已經廣泛地應用在機械制造、電子冶金、航海等工業領域。目前國內專用超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度[5-8]。
1 超聲波測距原理
本硬件設計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為：檢測從超聲波發射器發出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，即往返時間。往返時間與氣體介質中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即:
L=1/2vt（1）
在上式中，L為待測距離，v為超聲波的聲速，t為往返時間。由下式計算測量誤差;
σL=vσt+tov（2）
式中，σL為測距誤差，v為聲速，σt為時間測量誤差，σv為聲速誤差。
2 超聲波測距系統的硬件設計
發射電壓從理論上來說是越高越好，因為對同一只發射傳感器而言，電壓越高，發射的超聲波功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設計就相對簡單一點。但是，每一只實際的發射傳感器有其工作電壓的極限值，會對傳感器的內部電路造成不可恢復的傷害。
發射部分的點脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度，最終達到對回波進行放大檢測，產生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。
2.1 發射部分
（1）發射波形
發射部分用單片機產生40kHz的方波，然后加以驅動。波形經過放大后發生輕微變化后送至發射傳感器發射出的信號，理論上是穩定變化的，為使傳感器充分震蕩，發射脈寬不可以過小，一般來說我們選擇40kHz的方波信號，但是實際情況是我們可以得到頻率為39kHz到40kHz之間的信號。
（2）發射電壓
傳感器發射電壓大小主要取決于發射信號損失及接收器的靈敏度。在發射端電源處極其容易產生干擾，可以選擇適當大小的電容進行濾波。設計的發射電路如圖2所示。
2.2 接收部分
在傳感器接收的信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環境噪聲。環境噪聲主要集中在低頻段，遠離回波信號頻率。因此系統的總噪聲系數主要有接收機的內部噪音決定，其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶，而且內部會產生一個有用信號頻率基本相同，只有輻值不同的信號，可以使用一些特殊的電路將其隔離。接收電路如圖3所示。
2.3 檢測單元
接收信號放大到2V左右時，就可以進行信號檢測，信號檢測的目的是確定接收信號的到達時間，這是整個電路一個關鍵的地方。因為它不僅決定系統的測量精度，還關系到整個系統是否能正常工作。
檢測電路設計的要求是保證每次接收信號都能被準確的鑒別出來轉換成數字脈沖去觸發單片機的外中斷引腳，通常采用某一固定電平或滑動門限電平作為比較電平，以零電作為比較電平是行不通的。這樣一來，即使沒有接收信號，也會造成比較器反復觸發，從而無法判斷那個信號是真正的接收信號。若采用某一高于一般噪聲峰值的固定電平，這樣就可以消除一般噪聲的影響，而且比較電平固定，可以實現對電路信號的準確檢測。
2.4 顯示單元
顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都要用到顯示器，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而已。最簡單的顯示器可以使用LED發光二極管，給出一個簡單的開關量信息。
2.5 聲速校正
要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速C必須恒定。實際上，聲速隨著介質、溫度、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化比較小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。通過溫度修正，即根據聲速與溫度的關系計算出測量時實際環境中的聲速，再根據測距公式得到距離?？諝庵新曀貱與溫度T的關系在常溫下可以用公式（3）表示。
C=（331.4＋0.60T）m/s（3）
2.6 干擾問題的解決方法
干擾主要是外界高頻噪音及電源等對信號產生的干擾。由于這類干擾信號尤其是電源干擾信號和有用信號極其相似，因此不容易檢測出回波信號。針對這樣的干擾信號，可以通過選擇合適的元器件，加之濾波電路就可以消除干擾。
3 超聲波測距系統的軟件設計
3.1 信號控制
在系統軟件中，要完成接收控制信號、發射脈沖信號、峰值采集信號的時序及輸出信號處理后的顯示等。
3.2 數據存儲
為了得到發射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數器的數值，然后存儲在RAM中，而且每次發射周期的開始，需要計數器清零，以備后續處理。
3.3 信號處理
用超聲頻脈沖激勵超聲波探頭，使之向外界輻射超聲波，并接收從被測物體反射回來的超聲波(簡稱回波)，通過檢測或估計從發射超聲波至接收回波所經歷的時間段t(稱為射程時間)，然后按下式計算超聲波探頭與被測物體之間的距離L，即
L＝1／2Ct（4）
式中，C為空氣介質中聲波的傳播速度。
由式（4）可知，當傳播介質的溫度發生變化時，聲的傳播速度。也隨之改變。因此，在超聲波測距儀中均內置溫度探頭，用于實時檢測聲傳播介質的溫度，以補償環境溫度變化對測距精度的影響。為了改善超聲波測距系統的性能，僅僅從系統的硬件入手是不夠的，還必須研究與硬件系統相適應的測量信息處理方法。
在此超聲波測距儀的設計中，RAM中存儲的計數值不能作為距離值直接顯示輸出，因為計數值與實際的距離值之間的轉換公式。
s=0.5×v×t=0.5×v×Tr×N（5）
其中，t為發射信號到接收信號之間經歷的時間，Tr為方波信號作為計數脈沖時計數器的時間分辨率，N為計數器的值。
3.4 數據輸出與顯示
經軟件處理得到距離傳送的四位LED顯示。
由于距離值的得到及顯示是中斷子程序中完成的，因此在初始化發射程序后進入中斷響應的等待，在中斷響應的之后，原始數據經計數值與距離值換算子程序，二進制與十進制轉換后顯示輸出。
整個系統軟件功能的實現可以分為主程序、子程序、中斷服務程序幾個主要部分。
3.5 超聲波測距系統軟件流程圖
4 結論
基于時差測距原理設計了8051單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距系統，給出了原理框圖和硬件各部分的實現，并進行了軟件設計。在本設計方案中還存在著一些不足，例如環境溫度的變化將影響超聲波在媒質中的傳播速度受溫度影響造成的誤差無法消除。
參考文獻
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超聲波測距范文4
關鍵詞： 超聲波； 非接|式測距； 編程邏輯門列陣； Nios Ⅱ； DS18B20
中圖分類號： TN919?34； TH85 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）01?0137?03
Abstract： In order to improve the measurement accuracy， a high?precision ultrasonic range finder was designed based on field programmable gate array （FPGA） technology. The hardware system platform based on SoPC was designed on a high?density FPGA by using Quartus Ⅱ software. The Nios Ⅱ EDS development software is used to develop the software system of the range finder. The hardware resource inside FPGA is adopted to design the high?speed ultrasonic controller. The temperature sensor DS18B20 is employed to measure the environment temperature. The temperature is used to correct the ultrasonic propagation velocity. The test results show that the ultrasonic range finder has high range measuring precision， and a certain practical promotion value.
Keywords： ultrasonic； non?contact range finding； FPGA； Nios Ⅱ； DS18B20
0 引 言
超聲波測距儀是利用超聲波測量距離的一種非接觸式距離測量工具[1?2]。因超聲波具有定向性好、使用方便、成本低廉、抗干擾能力強等優點，所以超聲波測距儀在工業測量、車輛避障[1?4]、安全預警、液位測量[3?4]、機械內部損傷檢[3]、車輛自動導航[4]以及機器人等領域得到廣泛的應用[1?2]。然而，目前大多數超聲波測距儀一般采用MCS?51單片機[5]作為控制器，其測量精度受到定時器的時鐘頻率的限制[3?5]，難以令人滿意[1?5]。
針對以上情況，本文利用大規模的FPGA[6?8]采用軟硬件協同設計方法，自定義用戶IP核技術和溫度補償技術，設計一套基于SoPC[9]的嵌入式高精度超聲波距離測量系統。本測試系統具有可靠性高、集成度高、響應速度快、精度高和成本低廉等特點。
1 硬件系統設計
在硬件系統上，本測距儀采用一片高密度的可編程邏輯門列陣（FPGA）作為硬件設計平臺，其系統設計框圖如圖1所示，主要由Nios Ⅱ處理器、Avalon?MM總線、JTAG控制器、UART控制器、EPCS控制器、超聲波控制器、LCD控制器、EPCS4存儲器、SDRAM控制器、SDRAM存儲器、LCD顯示器、通用I/O口及HC?SR04超聲波收發模塊組成。為了實現復雜的控制，在可編程邏輯門列陣（FPGA）中內嵌了一個32位的Nios Ⅱ處理器。Nios Ⅱ處理器是Altera公司提供的32位軟核處理器。在系統設計時，設計者根據項目的要求，把Nios Ⅱ軟核CPU免費地內嵌在Altera公司生產的FPGA中。SDRAM控制器控制著的SDRAM存儲器芯片，用于存放數據。JTAG UART控制器能實現程序的下載和在線調試功能；EPSC控制器控制著EPSC存儲芯片，用于存儲FPGA配制文件；LCD控制器控制著LCD顯示器用于顯示測得的數據。超聲波控制器是根據外部的超聲波收發模塊的電氣特性而設計的用戶自定義控制器，其輸出引腳TRIG和ECHO與外部的超聲波收發模塊相連，控制超聲波收發模塊進行測距。溫度對超聲波的傳播速度影響較大，本系統設計溫度補償電路來提高測量精度。本系統通過PIO與DS18B20數字溫度傳感器相連。
2 硬件系統設計
2.1 超聲波控制器設計
超聲波控制器是本系統的核心模塊，其設計框圖如圖2所示，主要由接口單元電路、寄存器組、倍頻器、計數器和狀態機組成。接口單元電路起著連接Avalon?MM總線和超聲波控制器的作用。因為在接口單元電路內部有地址譯碼器，所以Nios Ⅱ可以通過地址譯碼器訪問控制器中的所有寄存器。倍頻器的作用是把50 MHz的系統時鐘倍頻到100 MHz，從而提高系統的測量精度。狀態機控制中各個模塊的協調工作通過產生各種時序信號實現。TRIG是超聲波收發模塊的觸發信號；ECHO是超聲波反射波接收判斷輸入信號；ST是計數器啟動信號，高電平計數器開始計數；CLR是計數器清零信號，CLR為高電平時對計數器的值清零；H是計數器值，保存控制信號， H為高電平時，計數器的當前值被保存在計數器寄存器中。在超聲波控制器中，還定義了三個寄存器，這三個寄存器定義和地址分配情況如表1所示。
2.2 狀態機模塊設計
狀態機模塊是超聲波控制器的關鍵模塊，其作用是產生各種控制時序。圖3為狀態機的狀態轉換圖，設有空閑、啟動、計數、數據保存和計數器清零五個狀態。在加電時，狀態機處于空閑狀態，一旦Nios Ⅱ軟核CPU向控制寄存器寫入啟動指令時，狀態機進入啟動狀態。在啟動狀態中，狀態機一方面對啟動寄存器進行清零操作，另一方面，產生超聲波測距啟動信號TRIG，啟動超聲波測距模塊產生超聲波，這些任務完成之后，狀態機進入計數狀態。在計數狀態中，計數器對100 MHz時鐘進行計數，當超聲波收發模塊收到被障礙物反射回來的超聲波時，ECHO變為低電平，計數器停止計數，狀態機進入數據保存狀態。在數據保存狀態中，計數數據被保存在計數寄存器中。數據被保存之后，狀態機進入計數器數據清零狀態，這時計數器中的值被清零，為下次計數做好準備。
2.3 硬件平臺的設計
超聲波測距儀的SoPC硬件設計采用的是Altera公司的SoPC Builder開發工具。SoPC Builder是一個功能強大的系統開發工具，嵌入式系統設計師可以利用此工具非常輕松地設計一個基于Nios Ⅱ處理器的片上系統。在SoPC Builder的圖形用戶界面中，設計者可以把SoPC Builder庫中的功能模塊添加到系統中，除此之外，SoPC Builder還允許設計者把用戶自定義的邏輯單元添加到SoPC Builder庫中。利用SoPC Builder開發工具定義的硬件系統見表2，其中，ultrasonc是超聲波控制器，是用戶自定義的邏輯控制單元。
2.4 溫度補償電路的設計
超聲波的傳播速度極易受到溫度的影響。超聲波在常溫下的傳播速度大約為340 m/s，但當溫度發生變化時，超聲波的傳播速度會發生變化，例如，當溫度每升高1 ℃時，超聲波的傳播速度[10]會增加0.6 m/s，因此，在利用超聲波測量距離時，必需考慮溫度對超聲波傳播速度的影響。
3 系統程序的設計
為了讓本測試儀正常工作，還需要設計本系統的控制程序。系統程序采用Altera公司的Nios Ⅱ EDS 8.0集成開發環境對系統程序進行開發。圖4為本系統程序的算法流程圖。程序啟動后，首先Nios Ⅱ主程序對系統的有關設備進行初始化操作，例如，LCD液晶屏初始化、溫度傳感器DS18B20初始化和串口初始化等。
系統初始化完成之后，Nios Ⅱ軟核CPU讀取DS18B20溫度值，獲取當前測試環境的溫度值。完成溫度讀取之后，Nios Ⅱ向超波控制中的啟動寄存器發送啟動指令，啟動超聲波測距模塊進行測距， Nios Ⅱ讀取狀態寄存器的值，了解控制器的工作狀態。如果控制器正處于忙工作狀態時，控制器延時一段時間，再次讀取狀態信息，如果了解到控制器正處于“閑”工作狀態時，讀取計數寄存器中的值，通過式（1）對超聲波的傳播速度進行修正，再利用修正過的傳播速度計算測距并顯示距離。
4 驗測試結果
為了進一步評估本超聲波測距儀的精度，根據以上的設計方法，利用一塊高密度的FPGA和超聲波收發模塊設計了一臺試驗樣機，并對該試驗樣機進行性能測試。FPGA采用Altera公司生產的EP1C6Q240C8，超聲波收發模塊采用HC?SR04。表3為試驗樣機的一組測試結果，從測試結果可以看出，利用本測試測量距離時，除了測量近距離的相對誤差在2%之外，測量中長距離的相對誤差保持在1%以內，因此，本測試儀具有較高的測量精度。
5 結 語
超聲波測距儀是一種非接觸式距離測量工具，具有很多優點。本文針對傳統單片機超聲波測距儀測量誤差大的缺點，采用軟硬件協同設計方法和自定義用戶IP核技術，設計一套基于Nios Ⅱ的高精度超聲波距離測量系統，本系統具有可靠性高、集成度高、響應速度快、精度高和成本低廉等優點，因此有一定的實用價值和推廣價值。
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超聲波測距范文5
【關鍵詞】超聲測距；換能器；高精度；單片機
1.引言
隨著科技的發展，超聲波測距廣泛應用于交通，農業，工業，安全防護能源測量等科學領域。與紅外、渦流和激光測距方法相比，超聲波測距的優勢在于具有不受外界光及電磁場等因素影響的優點，且其結構簡單，成本相對比較低[1]。但對于要求精度比較高的情況下，一般的超聲波測距系統所能檢測到的距離都不大。這是由于超聲波在傳播過程中，其信噪比會因外界因素的影響而改變，如果在超聲波測距過程中，當接收到信號的能量比較大，傳統的閾值檢測法是可行的。而當測距目標距離傳感器比較遠時，回波信號因自身的能量衰減以及外界因素的干擾使其有用信號部分甚至完全淹沒在干擾中，這時測距系統就難以判定是否接收到回波信號，此時閾值檢測法就失效了[2]。因此，設計了一種基于MAXQ7667的先進超聲波測距系統，可用于一些要求測量距離較大且精度較高的場合，例如在室內的精確定位。
2.超聲測距系統及其原理
超聲波測距系統是由發射電路、接收電路、超聲波換能器以及MAXQ7667主控芯片構成，如圖1。其中，用于發送和接收的超聲波的元件稱為超聲波換能器。在發射狀態下，超聲波換能器將發射電路輸出的脈沖信號轉換成與其頻率相等的超聲波；在接收狀態下，超聲波換能器將接收的聲波轉換成與其頻率相等的電信號。
由于超聲波在均勻的介質中傳播的速度的是一定的，只要計算出超聲波從點A到點B的飛行時間t，并且得知超聲波此時的速度v，就可以得到A與B的距離s，即：
（1）
3.硬件構成
3.1 MAXQ7667單片機
Maxim公司的MAXQ7667單片機嵌入了一個16位的MAXQ20微控制器，MAXQ20可以在不同溫度下優化發射脈沖和接收回波的頻率，通過一個可編程的鎖相環（PLL）合成器為瞬時脈沖群發生器提供參考頻率，使其可以很好的產生25kHz～100kHz的脈沖信號，并且為回聲接收器的數字濾波器提供時鐘。而其回波接收模塊集成了一個可編程增益低噪聲放大器（LNA），一個將接收到的回聲信號數字化的16位sigma-delta模數轉換電路（ADC）以及數字信號處理器（DSP）。DSP利用帶通濾波器限制噪聲，同時通過解調和低通濾波創建回波包絡。除了一般單片機所擁有定時器和異步串行通信（UART）功能外，MAXQ7667還擁有一個16乘16的硬件乘法器，使得最后距離的計算非常的快捷和方便。
3.2 發射與接收電路
超聲波的發射與接收電路如圖2。其中所用換能器為壓電式換能器，其半功率角為7°，銳角度18°，換能器的工作頻率為47KHz～51 KHz。為了得到較高的驅動電壓，采用反激電路產生驅動信號，其中變壓器的變比為1比20，實驗中從示波器看到加在換能器兩端的電壓峰峰值將近有800V。
3.3 溫度補償
在空氣中，不同溫度下聲波的聲速是不同的，可以表示為以下的關系[3]：
（2）
式中T為空氣的溫度，單位為攝氏度（℃）。
從上面式子可以看出，溫度每偏差1℃時，風速就大致偏差了0.6m/s。在常溫（25℃）下，忽略其他外界的干擾，風速此時為346.6m/s。在測量距離為10m的情況下，此時由溫度偏差1℃引起的誤差就為0.034m，這超出了測量誤差的允許范圍。因而，我們有必要提高溫度檢測的精度。
為了提高溫度檢測的精度，選用DS18B20這款數字溫度傳感器。由于其獨特的單線接口方式[4]，僅需要將DS18B20的DQ于MAXQ7667的P0.7口相連就可以實現雙向通信，如圖3。其測溫范圍為-55℃～+125℃，測量結果以9～12位數字量方式串行傳送，測量溫度分辨率可以達到0.0625℃，能夠滿足測距系統的要求。
3.4 數據傳輸顯示
為了提高測量系統的靈活性以及使得測量所得數據更加方便保存，系統還采用了RF24L01射頻模塊，將每次測量到的距離信號或者錯誤信號實時的傳送到連接PC機端的射頻模塊，再經過RS232口進行通訊。這樣就使得在做測量距離實驗時，可以更好的改變系統所在的位置，而不受傳輸線的限制。
4.軟件設計
4.1 主程序流程圖
圖5為測距程序流程圖，其中由于當目標很靠近換能器時，存在著死區[7]，因此需要在發送聲波之后，設置一個0.2ms的延時程序，避免死區所引起的錯誤測量。
4.2 關鍵寄存器的設置
考慮到系統所采用的換能器特性，采取了驅動信號頻率為50KHz的脈沖信號，一次發送7個脈沖，系統所選的是16MHz的的晶振。以下是一些關鍵的初始化設置：
PLLF_bit.PLLC = 0;// 16MHz 的晶振
PLLF_bit.PLLF = 256;// 鎖相環的分頻（涉及到所需脈沖的頻率）
BTRN_bit.BCKS = 0;// 脈沖源為晶振
BTRN_bit.BCNT = 7;// 一次發送7個脈沖
BTRN_bit.BDIV = 0xb;// 鎖相環的分頻（涉及到所需脈沖的頻率）
BTRN_bit.BPOL = 0;// 低電平轉高電平時輸出脈沖
BPH_bit.BPH = 160;// 設置脈沖的占空比為50%
BTRN_bit.BGT = 0;// 通過專用輸出口給脈沖
BTRN_bit.BTRI = 0;// 將BURST設定為輸出
在檢測聲波的過程中，需要用到下面的設置：
APE_bit.LNAE = 1;//打開低噪聲放大器
APE_bit.MDE = 1;//打開ADC
APE_bit.PLLE = 1;//打開鎖相環，可用于設定脈沖的頻率
APE_bit.BGE = 1;//使能帶通濾波器
APE_bit.RECHOE = 1;//使能回波路徑寄存器，用于保存輸出值
5.實驗數據及分析
雖然在實際的測量中，接收到的聲波并沒有經過放大，但為了便于觀察，在靠近換能器的位置增加了兩級放大和一個帶通濾波器，總共放大50倍來觀察接收到的聲波波形，如圖5～7。
從圖5和圖6中可以看到，當距離目標較近的時候，回波的信號在經過放大后，電壓峰峰值最高是有數百毫伏的。而距離較遠時，如圖7為6米處經過放大后的回波波形峰峰值只有120mV左右，可以計算出，放大前的回波峰峰值只有1-3mV，信號較為微弱，并且會隨著距離的增加而使得幅值衰減[5，6]。而在實際運用中，由于MAXQ7667內部有放大電路和帶通濾波器，因此不需要外部再增加放大電路，簡單方便了許多，進而降低了成本。實物圖如圖8所示。
在修正系統的誤差之前，測試環境在30℃下，得到表1的數據，得出其誤差曲線如圖9。
其線性趨近線為：
（3）
式中s為被測目標與換能器的距離，為需要修正的誤差值，單位都是mm。
經過修正后，分別在28℃和20℃下測量到的數據分別如表2和表3。從表2和表3可以看出，測距系統的誤差進一步減小，距離在0.5m內時，絕對誤差在2mm內。但由于溫度的檢測仍然存在一定的誤差，使得在28℃下，系統的誤差是往負方向偏離，而在20℃，系統的誤差是往正方向偏離，要解決這一問題，需要提高溫度檢測的精度，或者在多個不同的溫度下進行修正，使得由溫度引起的誤差進一步減小。
6.結論
實驗表明，該超聲測距系統的量程在8米內的誤差小于1cm，誤差精度小于0.5%。目前，該研究已得到初步應用，其性能穩定可靠，為提高室內定位的精度提供了一個可行并且成本較低的測距方案。
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作者簡介：
嚴偉誠（1987—），男，廣東惠州人，研究生，主要研究方向：自動化裝備與控制技術。
王欽若（1958—），男，海南儋縣人，碩士，教授，博士生導師，主要研究方向：計算機應用技術，機電一體化，自動化裝備與控制技術。
超聲波測距范文6
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關鍵詞：卡爾曼濾波器；NIOS II軟核處理器；超聲波傳感器；可編程單芯片系統；軟硬件協同設計
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.017
劉超（1990-），碩士，研究方向：集成電路設計。田俊杰（1992-），碩士，研究方向：集成電路設計。
引言
傳統的超聲波雷達測距系統面臨噪聲過大、測量精度不夠高的問題，卡爾曼濾波算法是一種最優化自回歸數據處理算法，在雷達測距和目標跟蹤等領域有廣泛應用，可以用來提高測距系統的精度。但是卡爾曼濾波算法的實現需要用到大量的浮點數矩陣運算，軟件實現方式通常很難滿足系統對于高實時性的要求，硬件雖然可以保證系統的高實時性，但是硬件無法直接處理浮點數，并且硬件開發周期過長，成本過高，這都限制了卡爾曼濾波算法的應用。
NIOS II處理器是可編程邏輯器件的軟核處理器，可以和存儲器、I/O接口等外設嵌入到FPGA中，組成一個靈活、高效的可編程單芯片系統（SOPC），大大降低了系統的成本、體積和功耗，適合網絡、電信、數據通信、嵌入式和消費市場等各種嵌入式應用場合[1-3]。
本文基于FPGA平臺，采用NIOSII軟核處理器，利用卡爾曼濾波算法對系統測量值進行濾波處理，設計了一種SOPC系統，以這種方法設計的測距系統綜合利用了軟件編程靈活的優點以及硬件并行處理、速度較快的特點，運用軟硬件協同設計方法保證系統的整體性能最優[4]，從而大大提高了測距系統的性能和精度。
卡爾曼濾波理論
對于卡爾曼濾波器，首先我們需要引入一個系統方程：
對于系統方程，矩陣A稱為轉換矩陣，矩陣B稱為控制矩陣，矩陣C稱為測量矩陣，u是控制量，A、B、C、u由實際濾波模型決定，均為已知，上述參數可以是恒定的，也可以是隨時間變化的[5]。w是系統噪聲，v是測量噪聲。
卡爾曼濾波算法由五條濾波公式組成：
公式一：狀態預測方程
卡爾曼濾波算法如圖1所示。濾波算法用反饋控制的方法估計過程狀態，濾波器首先預測過程某一時刻的狀態，然后通過測量值對預測值進行反饋和校正，其中公式一和公式二組成預測方程，產生先驗估計，公式三、公式四和公式五組成校正方程，將先驗估計和測量值結合構造改進的后驗估計，即用測量值對預測值進行校正，卡爾曼濾波器就是通過這樣一個不斷的“預測（先驗）-測量-校正（后驗）”的過程，使得最優估計的誤差隨時間以指數衰減，從而使得數據逐漸“收斂”，以此來達濾波的目的[6]。
系統硬件設計
如圖2所示，系統的硬件部分由超聲波傳感器，FPGA開發板以及LCD液晶屏組成。系統工作時，FPGA通過超聲波傳感器的驅動模塊來讀取傳感器采集的實時測量數據，這些數據經過卡爾曼濾波算法進行濾波和去噪處理后，再通過LCD驅動模塊控制LCD液晶屏進行數據的實時展示。
在該系統中，超聲波傳感器驅動和LCD驅動采用Verilog HDL設計，卡爾曼濾波模塊通過NIOS II軟核中的C語言實現。這樣既可以發揮硬件處理速度快的特點，又可以很好的發揮C語言處理浮點數運算和編程靈活的特點，從而保證系統性能最優。
系統采用的LCD液晶屏的尺寸是320*240。圖3是LCD屏幕的分區顯示效果圖，液晶屏最上部顯示運動狀態檢測結果，下部顯示實時數據，其中左側顯示實時波形曲線，右側顯示實時數值數據。
系統軟件設計
該系統的軟件算法流程如圖4所示，FPGA通過超聲波傳感器采集距離信息，并進行距離信息的存儲以完成被檢測物體的運動狀態判斷，當物體處于靜止狀態時則使用一維卡爾曼濾波算法對含噪聲的距離測量值進行濾波去噪；當物體處于運動狀態時，則使用二維卡爾曼濾波算法對含噪聲的距離測量值進行去噪和優化處理，并可以利用關系矩陣和濾波算法得到運動物體的速度值。
上述經卡爾曼濾波算法優化后的數據會送到LCD液晶屏顯示，一部分數據顯示為實時數值數據，另一部分則先存儲，然后在LCD液晶屏的指定區域顯示為實時波形數據。
濾波參數設置
當系統檢測到物體處于靜止狀態時，利用一維卡爾曼濾波算法進行濾波去噪；當系統檢測到物體處于運動狀態時，則采用多維卡爾曼濾波算法，由于我們采用的超聲波傳感器的測量范圍較小，在短距離變化內，我們可以將運動物體近似看成勻速運動，所以對于運動物體，采用二維卡爾曼濾波算法進行濾波去噪。根據實際系統的噪聲和系統調試情況，一維濾波模型和二維濾波模型的系統參數設置如表1所示，其中為采樣時間間隔，由于該系統無額外控制量，所以考慮設計控制矩陣B為零矩陣。
應用結果
5.1輸入測量值分析
圖5是系統的輸入測量值，被測量物體首先處于運動狀態，由于系統噪聲和測量噪聲干擾，從該圖中可以看到實際測得的物體距離值存在較嚴重的噪聲干擾，上下波動比較大。
隨后物體處于靜止狀態，繼而又處于運動狀態，我們可以看到在檢測過程中，物體距離測量值都有較大的噪聲干擾，波動較大，我們使用卡爾曼濾波算法的目的就是對測量值進行去噪處理，以提高系統的測量精度。
5.2濾波輸出數據分析
圖6是經過卡爾曼濾波算法濾波之后的距離數據?？柭鼮V波算法在工作中，需要一定次數的算法迭代過程才能實現數據收斂，即達到較好的濾波效果。由圖6可以看到每當物體運動狀態轉換后，在經過一定次數的濾波算法迭代后，數據都能達到很好的去噪和收斂效果，對比圖5含噪聲的測量數據，在精度上有大幅提高。
卡爾曼增益可以用來衡量卡爾曼濾波算法在工作過程中的去噪效果，在實際的濾波系統中，卡爾曼濾波增益會隨著迭代次數的增加而成指數下降，以此來實現濾波去噪的效果。圖7展示的是卡爾曼增益的變化過程，我們可以看到在每次運動狀態轉換后，卡爾曼增益都會快速下降，以使數據收斂。
5.3性能數據分析
表2列出了該系統對測量數據進行濾波處理的性能分析，當系統數據收斂后，我們對數據進行統計整理并列于表2中。由表2可以看出，該系統對噪聲有很好的濾波效果，可以大大提高系統的測量精度。
總結
利用本文提出的設計方法設計實現的超聲波雷達測距系統，結合了軟件設計方法和硬件設計方法的優勢，可以高性能的完成距離的測量，同時，卡爾曼濾波算法的引入，提升了系統的抗干擾能力，大大提高了系統的測量精度。
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