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超声波测距范文1
关键词：监测；报警；超声波；非接触性
1 概述
运输皮带是物料短途运输的重要设备，广泛应用于矿山、农业、食品、烟草等生产行业。皮带跑偏是运输皮带作业过程中最为常见的故障，其危害性极大，皮带跑偏轻则造成撒料、皮带磨损；重则由于皮带与机架剧烈摩擦引起皮带软化、烧焦甚至引起火灾，造成整个生产线停产。所以及时、准确地检测皮带跑偏具有非常重要的意义[1]。
目前皮带跑偏检测主要的方法是使用跑偏检测开关，即行程开关。使用时将行程开关成对安装于输送机头部或尾部，当皮带跑偏时皮带边缘接触压迫行程开关触头产生移动触发报警。跑偏检测开关是机械式开关，采用接触式检测方式，当其应用于如煤矿井下等较为恶劣的生产环境时，极易被煤尘、泥污、油泥等影响，易发生误报、漏报等故障。因此，跑偏检测开关的故障率较高。为保障跑偏检测开关正常工作，需专职人员人工对开关进行定期维护，使用的人力成本较高。
文章在于提供一种基于超声波测距的皮带检测报警装置，是采用非接触式检测原理的、运行可靠、便于实施、维护成本低的检测运输皮带跑偏的新设备。
2 工作原理分析
超声波监测报警装置如图1所示，主要包括超声波测距单元、人机交互单元、数据处理单元、通信单元和报警单元。通过超声波测距仪测量获得超声波测距传感器至皮带的边缘距离，以此来判断皮带是否跑偏。基于超声波测距的皮带监测报警装置安装如图2所示。
超声波测距仪（102）工作原理：
超声波测距仪主要是由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块所构成。超声波测距可以用相位检测、声波幅值检测、渡越时间检测。相位检测法的精度最高，但测距量程不高，声波幅值检测受介质影响较大，因此，目前超声波测距一般采用渡越时间法，因此，文章采用的是渡越时间法进行超声波测距[2]。
渡越时间法：利用超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射时刻的同时开始计时， 超声波在空气中传播， 途中碰到障碍物就立即返回来， 超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2。
3 具体实施方式
（1）所述监测报警装置如图1所示实施例中，包括：
超声波测距单元（101），采用测距距离大于3米的小波束角发射接收一体化超声波测距传感器（102），可采用深圳导向机电技术有限公司的KS109超声波测距模块。
通信单元（103），包括输入端口（104）和输入端口（105），数据输入端口接一超声波测距传感器（102）发送的测量数据，采用I2C总线通信方式。数据输出端口将数据发送给其它设备，采用RS485通信方式与报警单元、皮带控制设备（如PLC）及其它监控设备连接[3]，当皮带跑偏时发送报警信号控制皮带停止运转，保护相关设备。
人机交互单元（106），包括显示屏（107）和按键（108），显示屏采用两行点阵型LCD液晶显示模块，视域尺寸：60.5×18.0mm，54.8×18.3m。
报警单元（109），采用声光报警器（110）具有喇叭和报警灯，实现声光报警功能，通过RS485接口与通信单元连接通信。
数据处理单元（111），处理器（112）用于执行数据比较处理工作，实施时可使用MCU，也可使用FPGA实现。
辅助电路（113），除以上提到的各单元设备外，装置还包括电源电路等辅助电路和相关元件，为各单元设备元件提供支持，如在煤矿井下使用下所有元件及电路应符合本质安全要求。
（2）所述监测报警装置安装示意图参考图2。
超声波测距传感器（203）分别安装于位于支架（202）上，位于运输皮带（201）两个边缘上方，且安装高度相同，安装高度高于物料高度，为保证监测精度超声波测距传感器应尽量靠近皮带表面；两个超声波测距传感器中心位置连线垂直于皮带运行方向。除超声波测距单元的其他单元元件集中在装置壳体（204）内，装置壳体可安装在的支架上。
（3）监测报警的具体实施步骤如图3所示。
（301）判断装置是否已经校准，如未校准，则进行位置校准（302），如已校准则执行（303）。直接检测。
（302）位置校准，校准时需对位置正常的皮带使用超声波测距设备进行测量，获得超声波至皮带的边缘距离AL和AR，计算AL-AR，如|AL-AR|>G，则调整支架（202）倾斜度使|AL-AR|
（303）通信单元接收超声波测距仪测量获得超声波测距传感器至皮带的边缘距离BL和BR。
（304）数据处理单元比较器通过比较实时皮带的边缘距离，如
|BL-BR|>F，则执行（305），否则返回（303）。
（305）判断BL-BR是否大于零，如大于零则皮带向右跑偏，如小于零则向左跑偏。
（306）装置声光报警并在显示器显示相关信息，并向皮带控制设备发送控制信号。
4 结束语
文章利用超声波测距仪提供一种基于超声波测距的皮带监测报警装置，采用非接触式检测原理，运行可靠且维护成本低。通过具体实施能够准确监测皮带是否发生跑偏，从而保证了生产线的安全。该装置涉及超声波测距和通信等领域。
参考文献
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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.
超声波测距范文2
关键词：超声波；测距；小车设计；测量技术
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）17-0246-02
近几年电子测量技术逐步发展，现在已经能够成功地运用超声波来精确测量距离。超声波测距不会受到被测量对象以及所在空间的光线影响。超声波检测还可以对各类液体装置的位置距离和里面的材料位置高度进行比较，从而设定它们之间的距离差值并且直接显示。因此，在现如今科技飞速发展的时代，我们可以把超声波测距系统更广泛具体的用在汽车的行驶与防撞上。基于此方面，设计在超声波测距的基础上加了跟随小车。
1系统原理及硬件介绍
系统实现了基于AT89C52单片机的小车智能跟随功能。为此，设计了超声波测距模块、定位模块以及无线电通信实时控制跟随。这套系统采用硬件电路设计和软件设计相结合的方式，具有模块化和多用化等特点。除此之外，用超声波检测更容易实现同步及时的控制，因为它方便又迅速并且计算起来还简单，所以其能够达到工业实用对测量精准度的要求。
1.1系统原理
在智能小车上装两个超声波发射探头，人身上再带着一个接收探头。通过测距算法算出距离。当超过一定距离时，小车收到报警跟上人的步伐前进，实现跟随。
超声波测距工作流程框图如下图1所示：
1.2硬件设计
硬件系统主要有超声波数据采集模块、小车驱动模块、主控器和报警模块组成。系统硬件部分的整体框图2如下所示：
小车的运动控制由电机驱动模块以及单片机最小系统组成。智能小车以AT89C52为核心，经过焊接相关芯片然后用电路板自制而成。它通过无线通信接收测距系统发送来的控制信号，再输出信号到L293D，从而驱动直流电机控制其行驶。小车驱动电路采用的是基于双极型H桥型脉宽调制方式（PWM）的集成电路L298N，它的内部有两个高电压、大电流桥式驱动器。
系统采用的是HC-SR04超声波测距模块。该模块可以提供2cm-400cm的非接触式的距离感测功能，测距精确度可以达到3mm【1】。HC-SR04超声波测距模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
超声波发射模块原理图如下图3：
超声波接收模块输出信号原理图如下图4：
测距系统是采用IO口TRIG触发来检测距离。给至少10us的高电平信号输入，然后该模块会自动发送8个40kHz的方波，并且会自动检测是否有信号返回。若有信号返回，那么会通过IO口ECHO输出一个高电平，则高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。则测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2。【2】
2主要技术
2.1超声波测距技术
超声波在空气中的传播速度大约是340m/s，根据计时器记录的时间t，便可计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2。
上式中：H表示超声波两个探头之间中心距离的二分之一。
而超声波的传播距离为：
上式中：v表示超声波在空气中的传播速度；
t表示超声波从发射到接收所需要的时间。
把式（2）、（3）代入式（1）中便可以得到：
中，超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数，如果当被测量的距离L远远大于H时，则（4）变为：
因此，只要测量出超声波的传播时间t，就可以计算出所要测量的距离L【3】。
为了保证测量距离的准确度，需要设计一个温度补偿电路。空气中声速与温度的关系可以表示为【4】：
v=331.4×
式中，T为环境摄氏温度℃。
该温度补偿电路系统采用了National Semiconductor所产生的温度感测器LM35。其输出电压与摄氏温标呈线性关系，即0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。
2.2定位技术
定位节点由超声波模块、无线通信模块、微处理器模块、电源模块部分组成。超声波发射器通过单片机控制时序，然后向四周扩散信号来搜索需要定位的节点。超声波发射的射频信号的传输时间是可以忽略不计的，因为它的速率比超声波的速率要高很多。所以如果同时发送射频信号和超声波信号的话，需要定位的节点会先收到发送来的射频信号然后九年开启超声波的接收模块并同时启动定时器，再之后接收模块接收到超声波的同时停止定时器。由此，超声波发射器再通过测量超声波与射频信号之间所用的时间差，从而来计算发射点与需要定位的节点之间距离。
2.3跟随技术
通过超声波测距原理，再加上三角形定理，在智能小车上装两个超声波发射探头，人身上再带着一个接收探头。根据测距算法算出距离，当超过一定距离时，小车收到报警跟上人的步伐前进，实现跟随。
3系统测试与误差分析
3.1系统测试
设计主要是基于超声波测距来实现智能小车的跟随，所以可以观察不断改变人与小车的距离时小车反应所需要的时间。实验在20℃环境下进行，实验结果如下表所示：
3.2误差分析
3.2.1误差来源
引起小车不同距离下响应的时间不同的原因有很多，一般有以下三种主要的误差来源：
（1）超声波信号在传播的过程中会减弱；
（2）从收到声波到被检测出会存在一定滞后；
（3）启动计时和启动超声波发射之间存在一定的偏差。
3.2.2减少误差措施
针对出现的第一个问题，所采用的解决办法是用TL852电路进行声波检测。因为它可以变增益，利用单片机来根据时间去控制声波信号。至于第二个问题，可以采用设置多个探头的办法。关于启动计时和启动超声波发射之间存在偏差的问题，则可以用无线电作为反馈信号【5】。
4 结论
介绍了超声波测距原理及小车跟随原理，运用超声波传感器及无线通信实现了小车同步跟随。通过实验可见，小车反应灵敏，能与人保持约5米之内的距离同步跟随。设计的创新之处与所取得的主要成果是：具有多用化的特点。设计中的超声波测距模块能够应用于机器人的距离信息采集、汽车防撞测距等众多方面。因此具有很大的移植应用价值。
参考文献：
[1] 李缓媛，张强，黄敏捷，刘坤.基于超声波测距的车辆音量调节系统[J].实验室研究与探索，2013（7）.
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超声波测距范文3
（江苏省靖江中等专业学校，江苏 靖江 214500）
【摘 要】超声波测距技术在社会生活中己有广泛的应用，超声波测距传感器在车辆避障与安全预警系统、车辆自动导航和现场机器人等专题中具有广阔的应用前景。本文根据超声波特征及测距原理，完成了一款以单片机为核心的基于时差测距原理的一种超声波测距系统的软硬件设计。
关键词 超声波；距离测量；单片机
0 引言
超声波作为一种检测技术，采用的是非接触式测量，此特点可使测量仪器不受被测介质的影响[1-2]。这就大大解决了在粉尘多情况下，给人类引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀，触点接触不良造成的误测情况。且对被测元件无磨损，使测量仪器牢固耐用，使用寿命加长，而且还降低了能量消耗，节省人力和劳动的强度。无论从精度还是从可靠性方面，超声波测距做得都比较好[3-4]。利用超声波检测即迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,具有广泛的发展前景。
这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海等工业领域。目前国内专用超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度[5-8]。
1 超声波测距原理
本硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离是声波传输距离的一半，即:
L=1/2vt（1）
在上式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为往返时间。由下式计算测量误差;
σL=vσt+tov（2）
式中，σL为测距误差，v为声速，σt为时间测量误差，σv为声速误差。
2 超声波测距系统的硬件设计
发射电压从理论上来说是越高越好，因为对同一只发射传感器而言，电压越高，发射的超声波功率就越大，这样能够在接受传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一点。但是，每一只实际的发射传感器有其工作电压的极限值，会对传感器的内部电路造成不可恢复的伤害。
发射部分的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度，最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。
2.1 发射部分
（1）发射波形
发射部分用单片机产生40kHz的方波，然后加以驱动。波形经过放大后发生轻微变化后送至发射传感器发射出的信号，理论上是稳定变化的，为使传感器充分震荡，发射脉宽不可以过小，一般来说我们选择40kHz的方波信号，但是实际情况是我们可以得到频率为39kHz到40kHz之间的信号。
（2）发射电压
传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收器的灵敏度。在发射端电源处极其容易产生干扰，可以选择适当大小的电容进行滤波。设计的发射电路如图2所示。
2.2 接收部分
在传感器接收的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。环境噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率。因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪音决定，其功率谱宽度远大于接收机的通频带，而且内部会产生一个有用信号频率基本相同，只有辐值不同的信号，可以使用一些特殊的电路将其隔离。接收电路如图3所示。
2.3 检测单元
接收信号放大到2V左右时，就可以进行信号检测，信号检测的目的是确定接收信号的到达时间，这是整个电路一个关键的地方。因为它不仅决定系统的测量精度，还关系到整个系统是否能正常工作。
检测电路设计的要求是保证每次接收信号都能被准确的鉴别出来转换成数字脉冲去触发单片机的外中断引脚，通常采用某一固定电平或滑动门限电平作为比较电平，以零电作为比较电平是行不通的。这样一来，即使没有接收信号，也会造成比较器反复触发，从而无法判断那个信号是真正的接收信号。若采用某一高于一般噪声峰值的固定电平，这样就可以消除一般噪声的影响，而且比较电平固定，可以实现对电路信号的准确检测。
2.4 显示单元
显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要用到显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息。
2.5 声速校正
要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速C必须恒定。实际上，声速随着介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下，由于大气压力变化比较小，因此传播速度主要考虑温度的影响。通过温度修正，即根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速，再根据测距公式得到距离。空气中声速C与温度T的关系在常温下可以用公式（3）表示。
C=（331.4＋0.60T）m/s（3）
2.6 干扰问题的解决方法
干扰主要是外界高频噪音及电源等对信号产生的干扰。由于这类干扰信号尤其是电源干扰信号和有用信号极其相似，因此不容易检测出回波信号。针对这样的干扰信号，可以通过选择合适的元器件，加之滤波电路就可以消除干扰。
3 超声波测距系统的软件设计
3.1 信号控制
在系统软件中，要完成接收控制信号、发射脉冲信号、峰值采集信号的时序及输出信号处理后的显示等。
3.2 数据存储
为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计数器的数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要计数器清零，以备后续处理。
3.3 信号处理
用超声频脉冲激励超声波探头，使之向外界辐射超声波，并接收从被测物体反射回来的超声波(简称回波)，通过检测或估计从发射超声波至接收回波所经历的时间段t(称为射程时间)，然后按下式计算超声波探头与被测物体之间的距离L，即
L＝1／2Ct（4）
式中，C为空气介质中声波的传播速度。
由式（4）可知，当传播介质的温度发生变化时，声的传播速度。也随之改变。因此，在超声波测距仪中均内置温度探头，用于实时检测声传播介质的温度，以补偿环境温度变化对测距精度的影响。为了改善超声波测距系统的性能，仅仅从系统的硬件入手是不够的，还必须研究与硬件系统相适应的测量信息处理方法。
在此超声波测距仪的设计中，RAM中存储的计数值不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间的转换公式。
s=0.5×v×t=0.5×v×Tr×N（5）
其中，t为发射信号到接收信号之间经历的时间，Tr为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N为计数器的值。
3.4 数据输出与显示
经软件处理得到距离传送的四位LED显示。
由于距离值的得到及显示是中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待，在中断响应的之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换后显示输出。
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。
3.5 超声波测距系统软件流程图
4 结论
基于时差测距原理设计了8051单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统，给出了原理框图和硬件各部分的实现，并进行了软件设计。在本设计方案中还存在着一些不足，例如环境温度的变化将影响超声波在媒质中的传播速度受温度影响造成的误差无法消除。
参考文献
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超声波测距范文4
关键词： 超声波； 非接|式测距； 编程逻辑门列阵； Nios Ⅱ； DS18B20
中图分类号： TN919?34； TH85 文献标识码： A 文章编号： 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
超声波测距仪是利用超声波测量距离的一种非接触式距离测量工具[1?2]。因超声波具有定向性好、使用方便、成本低廉、抗干扰能力强等优点，所以超声波测距仪在工业测量、车辆避障[1?4]、安全预警、液位测量[3?4]、机械内部损伤检[3]、车辆自动导航[4]以及机器人等领域得到广泛的应用[1?2]。然而，目前大多数超声波测距仪一般采用MCS?51单片机[5]作为控制器，其测量精度受到定时器的时钟频率的限制[3?5]，难以令人满意[1?5]。
针对以上情况，本文利用大规模的FPGA[6?8]采用软硬件协同设计方法，自定义用户IP核技术和温度补偿技术，设计一套基于SoPC[9]的嵌入式高精度超声波距离测量系统。本测试系统具有可靠性高、集成度高、响应速度快、精度高和成本低廉等特点。
1 硬件系统设计
在硬件系统上，本测距仪采用一片高密度的可编程逻辑门列阵（FPGA）作为硬件设计平台，其系统设计框图如图1所示，主要由Nios Ⅱ处理器、Avalon?MM总线、JTAG控制器、UART控制器、EPCS控制器、超声波控制器、LCD控制器、EPCS4存储器、SDRAM控制器、SDRAM存储器、LCD显示器、通用I/O口及HC?SR04超声波收发模块组成。为了实现复杂的控制，在可编程逻辑门列阵（FPGA）中内嵌了一个32位的Nios Ⅱ处理器。Nios Ⅱ处理器是Altera公司提供的32位软核处理器。在系统设计时，设计者根据项目的要求，把Nios Ⅱ软核CPU免费地内嵌在Altera公司生产的FPGA中。SDRAM控制器控制着的SDRAM存储器芯片，用于存放数据。JTAG UART控制器能实现程序的下载和在线调试功能；EPSC控制器控制着EPSC存储芯片，用于存储FPGA配制文件；LCD控制器控制着LCD显示器用于显示测得的数据。超声波控制器是根据外部的超声波收发模块的电气特性而设计的用户自定义控制器，其输出引脚TRIG和ECHO与外部的超声波收发模块相连，控制超声波收发模块进行测距。温度对超声波的传播速度影响较大，本系统设计温度补偿电路来提高测量精度。本系统通过PIO与DS18B20数字温度传感器相连。
2 硬件系统设计
2.1 超声波控制器设计
超声波控制器是本系统的核心模块，其设计框图如图2所示，主要由接口单元电路、寄存器组、倍频器、计数器和状态机组成。接口单元电路起着连接Avalon?MM总线和超声波控制器的作用。因为在接口单元电路内部有地址译码器，所以Nios Ⅱ可以通过地址译码器访问控制器中的所有寄存器。倍频器的作用是把50 MHz的系统时钟倍频到100 MHz，从而提高系统的测量精度。状态机控制中各个模块的协调工作通过产生各种时序信号实现。TRIG是超声波收发模块的触发信号；ECHO是超声波反射波接收判断输入信号；ST是计数器启动信号，高电平计数器开始计数；CLR是计数器清零信号，CLR为高电平时对计数器的值清零；H是计数器值，保存控制信号， H为高电平时，计数器的当前值被保存在计数器寄存器中。在超声波控制器中，还定义了三个寄存器，这三个寄存器定义和地址分配情况如表1所示。
2.2 状态机模块设计
状态机模块是超声波控制器的关键模块，其作用是产生各种控制时序。图3为状态机的状态转换图，设有空闲、启动、计数、数据保存和计数器清零五个状态。在加电时，状态机处于空闲状态，一旦Nios Ⅱ软核CPU向控制寄存器写入启动指令时，状态机进入启动状态。在启动状态中，状态机一方面对启动寄存器进行清零操作，另一方面，产生超声波测距启动信号TRIG，启动超声波测距模块产生超声波，这些任务完成之后，状态机进入计数状态。在计数状态中，计数器对100 MHz时钟进行计数，当超声波收发模块收到被障碍物反射回来的超声波时，ECHO变为低电平，计数器停止计数，状态机进入数据保存状态。在数据保存状态中，计数数据被保存在计数寄存器中。数据被保存之后，状态机进入计数器数据清零状态，这时计数器中的值被清零，为下次计数做好准备。
2.3 硬件平台的设计
超声波测距仪的SoPC硬件设计采用的是Altera公司的SoPC Builder开发工具。SoPC Builder是一个功能强大的系统开发工具，嵌入式系统设计师可以利用此工具非常轻松地设计一个基于Nios Ⅱ处理器的片上系统。在SoPC Builder的图形用户界面中，设计者可以把SoPC Builder库中的功能模块添加到系统中，除此之外，SoPC Builder还允许设计者把用户自定义的逻辑单元添加到SoPC Builder库中。利用SoPC Builder开发工具定义的硬件系统见表2，其中，ultrasonc是超声波控制器，是用户自定义的逻辑控制单元。
2.4 温度补偿电路的设计
超声波的传播速度极易受到温度的影响。超声波在常温下的传播速度大约为340 m/s，但当温度发生变化时，超声波的传播速度会发生变化，例如，当温度每升高1 ℃时，超声波的传播速度[10]会增加0.6 m/s，因此，在利用超声波测量距离时，必需考虑温度对超声波传播速度的影响。
3 系统程序的设计
为了让本测试仪正常工作，还需要设计本系统的控制程序。系统程序采用Altera公司的Nios Ⅱ EDS 8.0集成开发环境对系统程序进行开发。图4为本系统程序的算法流程图。程序启动后，首先Nios Ⅱ主程序对系统的有关设备进行初始化操作，例如，LCD液晶屏初始化、温度传感器DS18B20初始化和串口初始化等。
系统初始化完成之后，Nios Ⅱ软核CPU读取DS18B20温度值，获取当前测试环境的温度值。完成温度读取之后，Nios Ⅱ向超波控制中的启动寄存器发送启动指令，启动超声波测距模块进行测距， Nios Ⅱ读取状态寄存器的值，了解控制器的工作状态。如果控制器正处于忙工作状态时，控制器延时一段时间，再次读取状态信息，如果了解到控制器正处于“闲”工作状态时，读取计数寄存器中的值，通过式（1）对超声波的传播速度进行修正，再利用修正过的传播速度计算测距并显示距离。
4 验测试结果
为了进一步评估本超声波测距仪的精度，根据以上的设计方法，利用一块高密度的FPGA和超声波收发模块设计了一台试验样机，并对该试验样机进行性能测试。FPGA采用Altera公司生产的EP1C6Q240C8，超声波收发模块采用HC?SR04。表3为试验样机的一组测试结果，从测试结果可以看出，利用本测试测量距离时，除了测量近距离的相对误差在2%之外，测量中长距离的相对误差保持在1%以内，因此，本测试仪具有较高的测量精度。
5 结 语
超声波测距仪是一种非接触式距离测量工具，具有很多优点。本文针对传统单片机超声波测距仪测量误差大的缺点，采用软硬件协同设计方法和自定义用户IP核技术，设计一套基于Nios Ⅱ的高精度超声波距离测量系统，本系统具有可靠性高、集成度高、响应速度快、精度高和成本低廉等优点，因此有一定的实用价值和推广价值。
参考文献
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超声波测距范文5
【关键词】超声测距；换能器；高精度；单片机
1.引言
随着科技的发展，超声波测距广泛应用于交通，农业，工业，安全防护能源测量等科学领域。与红外、涡流和激光测距方法相比，超声波测距的优势在于具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点，且其结构简单，成本相对比较低[1]。但对于要求精度比较高的情况下，一般的超声波测距系统所能检测到的距离都不大。这是由于超声波在传播过程中，其信噪比会因外界因素的影响而改变，如果在超声波测距过程中，当接收到信号的能量比较大，传统的阈值检测法是可行的。而当测距目标距离传感器比较远时，回波信号因自身的能量衰减以及外界因素的干扰使其有用信号部分甚至完全淹没在干扰中，这时测距系统就难以判定是否接收到回波信号，此时阈值检测法就失效了[2]。因此，设计了一种基于MAXQ7667的先进超声波测距系统，可用于一些要求测量距离较大且精度较高的场合，例如在室内的精确定位。
2.超声测距系统及其原理
超声波测距系统是由发射电路、接收电路、超声波换能器以及MAXQ7667主控芯片构成，如图1。其中，用于发送和接收的超声波的元件称为超声波换能器。在发射状态下，超声波换能器将发射电路输出的脉冲信号转换成与其频率相等的超声波；在接收状态下，超声波换能器将接收的声波转换成与其频率相等的电信号。
由于超声波在均匀的介质中传播的速度的是一定的，只要计算出超声波从点A到点B的飞行时间t，并且得知超声波此时的速度v，就可以得到A与B的距离s，即：
（1）
3.硬件构成
3.1 MAXQ7667单片机
Maxim公司的MAXQ7667单片机嵌入了一个16位的MAXQ20微控制器，MAXQ20可以在不同温度下优化发射脉冲和接收回波的频率，通过一个可编程的锁相环（PLL）合成器为瞬时脉冲群发生器提供参考频率，使其可以很好的产生25kHz～100kHz的脉冲信号，并且为回声接收器的数字滤波器提供时钟。而其回波接收模块集成了一个可编程增益低噪声放大器（LNA），一个将接收到的回声信号数字化的16位sigma-delta模数转换电路（ADC）以及数字信号处理器（DSP）。DSP利用带通滤波器限制噪声，同时通过解调和低通滤波创建回波包络。除了一般单片机所拥有定时器和异步串行通信（UART）功能外，MAXQ7667还拥有一个16乘16的硬件乘法器，使得最后距离的计算非常的快捷和方便。
3.2 发射与接收电路
超声波的发射与接收电路如图2。其中所用换能器为压电式换能器，其半功率角为7°，锐角度18°，换能器的工作频率为47KHz～51 KHz。为了得到较高的驱动电压，采用反激电路产生驱动信号，其中变压器的变比为1比20，实验中从示波器看到加在换能器两端的电压峰峰值将近有800V。
3.3 温度补偿
在空气中，不同温度下声波的声速是不同的，可以表示为以下的关系[3]：
（2）
式中T为空气的温度，单位为摄氏度（℃）。
从上面式子可以看出，温度每偏差1℃时，风速就大致偏差了0.6m/s。在常温（25℃）下，忽略其他外界的干扰，风速此时为346.6m/s。在测量距离为10m的情况下，此时由温度偏差1℃引起的误差就为0.034m，这超出了测量误差的允许范围。因而，我们有必要提高温度检测的精度。
为了提高温度检测的精度，选用DS18B20这款数字温度传感器。由于其独特的单线接口方式[4]，仅需要将DS18B20的DQ于MAXQ7667的P0.7口相连就可以实现双向通信，如图3。其测温范围为-55℃～+125℃，测量结果以9～12位数字量方式串行传送，测量温度分辨率可以达到0.0625℃，能够满足测距系统的要求。
3.4 数据传输显示
为了提高测量系统的灵活性以及使得测量所得数据更加方便保存，系统还采用了RF24L01射频模块，将每次测量到的距离信号或者错误信号实时的传送到连接PC机端的射频模块，再经过RS232口进行通讯。这样就使得在做测量距离实验时，可以更好的改变系统所在的位置，而不受传输线的限制。
4.软件设计
4.1 主程序流程图
图5为测距程序流程图，其中由于当目标很靠近换能器时，存在着死区[7]，因此需要在发送声波之后，设置一个0.2ms的延时程序，避免死区所引起的错误测量。
4.2 关键寄存器的设置
考虑到系统所采用的换能器特性，采取了驱动信号频率为50KHz的脉冲信号，一次发送7个脉冲，系统所选的是16MHz的的晶振。以下是一些关键的初始化设置：
PLLF_bit.PLLC = 0;// 16MHz 的晶振
PLLF_bit.PLLF = 256;// 锁相环的分频（涉及到所需脉冲的频率）
BTRN_bit.BCKS = 0;// 脉冲源为晶振
BTRN_bit.BCNT = 7;// 一次发送7个脉冲
BTRN_bit.BDIV = 0xb;// 锁相环的分频（涉及到所需脉冲的频率）
BTRN_bit.BPOL = 0;// 低电平转高电平时输出脉冲
BPH_bit.BPH = 160;// 设置脉冲的占空比为50%
BTRN_bit.BGT = 0;// 通过专用输出口给脉冲
BTRN_bit.BTRI = 0;// 将BURST设定为输出
在检测声波的过程中，需要用到下面的设置：
APE_bit.LNAE = 1;//打开低噪声放大器
APE_bit.MDE = 1;//打开ADC
APE_bit.PLLE = 1;//打开锁相环，可用于设定脉冲的频率
APE_bit.BGE = 1;//使能带通滤波器
APE_bit.RECHOE = 1;//使能回波路径寄存器，用于保存输出值
5.实验数据及分析
虽然在实际的测量中，接收到的声波并没有经过放大，但为了便于观察，在靠近换能器的位置增加了两级放大和一个带通滤波器，总共放大50倍来观察接收到的声波波形，如图5～7。
从图5和图6中可以看到，当距离目标较近的时候，回波的信号在经过放大后，电压峰峰值最高是有数百毫伏的。而距离较远时，如图7为6米处经过放大后的回波波形峰峰值只有120mV左右，可以计算出，放大前的回波峰峰值只有1-3mV，信号较为微弱，并且会随着距离的增加而使得幅值衰减[5，6]。而在实际运用中，由于MAXQ7667内部有放大电路和带通滤波器，因此不需要外部再增加放大电路，简单方便了许多，进而降低了成本。实物图如图8所示。
在修正系统的误差之前，测试环境在30℃下，得到表1的数据，得出其误差曲线如图9。
其线性趋近线为：
（3）
式中s为被测目标与换能器的距离，为需要修正的误差值，单位都是mm。
经过修正后，分别在28℃和20℃下测量到的数据分别如表2和表3。从表2和表3可以看出，测距系统的误差进一步减小，距离在0.5m内时，绝对误差在2mm内。但由于温度的检测仍然存在一定的误差，使得在28℃下，系统的误差是往负方向偏离，而在20℃，系统的误差是往正方向偏离，要解决这一问题，需要提高温度检测的精度，或者在多个不同的温度下进行修正，使得由温度引起的误差进一步减小。
6.结论
实验表明，该超声测距系统的量程在8米内的误差小于1cm，误差精度小于0.5%。目前，该研究已得到初步应用，其性能稳定可靠，为提高室内定位的精度提供了一个可行并且成本较低的测距方案。
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作者简介：
严伟诚（1987—），男，广东惠州人，研究生，主要研究方向：自动化装备与控制技术。
王钦若（1958—），男，海南儋县人，硕士，教授，博士生导师，主要研究方向：计算机应用技术，机电一体化，自动化装备与控制技术。
超声波测距范文6
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关键词：卡尔曼滤波器；NIOS II软核处理器；超声波传感器；可编程单芯片系统；软硬件协同设计
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.017
刘超（1990-），硕士，研究方向：集成电路设计。田俊杰（1992-），硕士，研究方向：集成电路设计。
引言
传统的超声波雷达测距系统面临噪声过大、测量精度不够高的问题，卡尔曼滤波算法是一种最优化自回归数据处理算法，在雷达测距和目标跟踪等领域有广泛应用，可以用来提高测距系统的精度。但是卡尔曼滤波算法的实现需要用到大量的浮点数矩阵运算，软件实现方式通常很难满足系统对于高实时性的要求，硬件虽然可以保证系统的高实时性，但是硬件无法直接处理浮点数，并且硬件开发周期过长，成本过高，这都限制了卡尔曼滤波算法的应用。
NIOS II处理器是可编程逻辑器件的软核处理器，可以和存储器、I/O接口等外设嵌入到FPGA中，组成一个灵活、高效的可编程单芯片系统（SOPC），大大降低了系统的成本、体积和功耗，适合网络、电信、数据通信、嵌入式和消费市场等各种嵌入式应用场合[1-3]。
本文基于FPGA平台，采用NIOSII软核处理器，利用卡尔曼滤波算法对系统测量值进行滤波处理，设计了一种SOPC系统，以这种方法设计的测距系统综合利用了软件编程灵活的优点以及硬件并行处理、速度较快的特点，运用软硬件协同设计方法保证系统的整体性能最优[4]，从而大大提高了测距系统的性能和精度。
卡尔曼滤波理论
对于卡尔曼滤波器，首先我们需要引入一个系统方程：
对于系统方程，矩阵A称为转换矩阵，矩阵B称为控制矩阵，矩阵C称为测量矩阵，u是控制量，A、B、C、u由实际滤波模型决定，均为已知，上述参数可以是恒定的，也可以是随时间变化的[5]。w是系统噪声，v是测量噪声。
卡尔曼滤波算法由五条滤波公式组成：
公式一：状态预测方程
卡尔曼滤波算法如图1所示。滤波算法用反馈控制的方法估计过程状态，滤波器首先预测过程某一时刻的状态，然后通过测量值对预测值进行反馈和校正，其中公式一和公式二组成预测方程，产生先验估计，公式三、公式四和公式五组成校正方程，将先验估计和测量值结合构造改进的后验估计，即用测量值对预测值进行校正，卡尔曼滤波器就是通过这样一个不断的“预测（先验）-测量-校正（后验）”的过程，使得最优估计的误差随时间以指数衰减，从而使得数据逐渐“收敛”，以此来达滤波的目的[6]。
系统硬件设计
如图2所示，系统的硬件部分由超声波传感器，FPGA开发板以及LCD液晶屏组成。系统工作时，FPGA通过超声波传感器的驱动模块来读取传感器采集的实时测量数据，这些数据经过卡尔曼滤波算法进行滤波和去噪处理后，再通过LCD驱动模块控制LCD液晶屏进行数据的实时展示。
在该系统中，超声波传感器驱动和LCD驱动采用Verilog HDL设计，卡尔曼滤波模块通过NIOS II软核中的C语言实现。这样既可以发挥硬件处理速度快的特点，又可以很好的发挥C语言处理浮点数运算和编程灵活的特点，从而保证系统性能最优。
系统采用的LCD液晶屏的尺寸是320*240。图3是LCD屏幕的分区显示效果图，液晶屏最上部显示运动状态检测结果，下部显示实时数据，其中左侧显示实时波形曲线，右侧显示实时数值数据。
系统软件设计
该系统的软件算法流程如图4所示，FPGA通过超声波传感器采集距离信息，并进行距离信息的存储以完成被检测物体的运动状态判断，当物体处于静止状态时则使用一维卡尔曼滤波算法对含噪声的距离测量值进行滤波去噪；当物体处于运动状态时，则使用二维卡尔曼滤波算法对含噪声的距离测量值进行去噪和优化处理，并可以利用关系矩阵和滤波算法得到运动物体的速度值。
上述经卡尔曼滤波算法优化后的数据会送到LCD液晶屏显示，一部分数据显示为实时数值数据，另一部分则先存储，然后在LCD液晶屏的指定区域显示为实时波形数据。
滤波参数设置
当系统检测到物体处于静止状态时，利用一维卡尔曼滤波算法进行滤波去噪；当系统检测到物体处于运动状态时，则采用多维卡尔曼滤波算法，由于我们采用的超声波传感器的测量范围较小，在短距离变化内，我们可以将运动物体近似看成匀速运动，所以对于运动物体，采用二维卡尔曼滤波算法进行滤波去噪。根据实际系统的噪声和系统调试情况，一维滤波模型和二维滤波模型的系统参数设置如表1所示，其中为采样时间间隔，由于该系统无额外控制量，所以考虑设计控制矩阵B为零矩阵。
应用结果
5.1输入测量值分析
图5是系统的输入测量值，被测量物体首先处于运动状态，由于系统噪声和测量噪声干扰，从该图中可以看到实际测得的物体距离值存在较严重的噪声干扰，上下波动比较大。
随后物体处于静止状态，继而又处于运动状态，我们可以看到在检测过程中，物体距离测量值都有较大的噪声干扰，波动较大，我们使用卡尔曼滤波算法的目的就是对测量值进行去噪处理，以提高系统的测量精度。
5.2滤波输出数据分析
图6是经过卡尔曼滤波算法滤波之后的距离数据。卡尔曼滤波算法在工作中，需要一定次数的算法迭代过程才能实现数据收敛，即达到较好的滤波效果。由图6可以看到每当物体运动状态转换后，在经过一定次数的滤波算法迭代后，数据都能达到很好的去噪和收敛效果，对比图5含噪声的测量数据，在精度上有大幅提高。
卡尔曼增益可以用来衡量卡尔曼滤波算法在工作过程中的去噪效果，在实际的滤波系统中，卡尔曼滤波增益会随着迭代次数的增加而成指数下降，以此来实现滤波去噪的效果。图7展示的是卡尔曼增益的变化过程，我们可以看到在每次运动状态转换后，卡尔曼增益都会快速下降，以使数据收敛。
5.3性能数据分析
表2列出了该系统对测量数据进行滤波处理的性能分析，当系统数据收敛后，我们对数据进行统计整理并列于表2中。由表2可以看出，该系统对噪声有很好的滤波效果，可以大大提高系统的测量精度。
总结
利用本文提出的设计方法设计实现的超声波雷达测距系统，结合了软件设计方法和硬件设计方法的优势，可以高性能的完成距离的测量，同时，卡尔曼滤波算法的引入，提升了系统的抗干扰能力，大大提高了系统的测量精度。
参考文献：
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