超声波测距(6篇)

超声波测距篇1

【关键词】PLC；超声波测距仪；无线信号收发器；信号设置

1.行车、PLC、超声波测距仪的特点

1.1行车的运动特点

运输机械是属于低速，重载的起重机械，运动距离短，运行方向简单。其主要运动方向是：打车的前后直线运行、小车的的左右直线运行、吊钩的上下直线运行、和大车、小车，吊钩的复合运动。

1.2PLC的运行特点

可编程控制器（PLC）的特点是通过采集实际工业生产过程中产生的各种物理量如：温度、速度、流量、液位、距离等模拟量，经过D/A转换，通过微处理器处理后再经过A/D转换向执行元件发出指令，从而实现被控制设备的自动运行。

2.超声波测距仪的特点

超声报测距仪具有定向发射、方向性强、强度易控制、与被测物体不直接接触的特点。广泛应用与倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。

超声波测距仪及PLC的安装位置

（1）大车；大车前后外侧防撞器处各装一个以控制大车的行走距离不可超出轨道末端，也可以实现双行车相互接近的提醒减速及制动。

（2）小车；小车前后外防撞器侧各装一个，以实现小车接近大车左右侧末端时的提醒减速及制动。

（3）PLC安装于操作室内，通过数据线与超声波测距仪相连接，也可以使用无线接收装置实现无线控制。

3.超声波测距仪距离设置

超声波测距仪有三个关键设置：（1）减速距离设置，由于行车在载荷状态下的惯性比较大，所以根据现场实际情况设定减速距离十分必要。(2)制动距离设置，经减速后的行车运行一段距离后到达轨道末端或两个行车接近安全距离范围时，就需要制动停车，否则就会发生碰撞冲击或两车相撞事故。（3）双车相向减速和制动距离设置，双车相向减速和制动距离的设置应当是单车检测末端防撞器的两倍。

4.控制原理

当单车行车在运行状态下时，当行车运行至末端减速距离时，超声波测速器发出减速信号，同时减速信号发至PLC，由PLC处理后指令减速继电器吸合，并发出提示音或提示灯光信号。实现行车或小车的减速运行。如果减速后的行车运行至制动距离时，超声波测距仪发出制动信号，经PLC处理后指令制动继电器吸合，大车或小车的抱闸动作实现制动停车。当双行车相互接近至减速距离时，双车减速信号同时发至PLC，PLC指令同时告警并且同时减速运行，运行至制动距离时双车制动信号同时发至PLC，PLC指令双车同时制动。

5.超声波测速仪对于数据传输线的要求

由于行车运行环境比较复杂，尤其是大型钢铁企业，行车工作环境尤其恶劣，同时存在高电压电磁辐射，热辐射。还有电磁干扰等影响。对此应当使用0.5―0.75m带有屏蔽层信号缆线敷设，以保证信号传输不扰，还应采用信号放大起增强接收信号，从而保证信号质量。

6.双行车防撞采用一套PLC集中控制的解决方案

当使用PLC与超声波测距仪结合作为自动防撞控制器控制单台行车时，其安装、数据传输是相对简单，也容易实现防撞功能。如果双行车各自采用一套防撞控制器时，也能实现防止相互碰撞的功能。但是会增加PLC的数量，从而造成成本的上升，也不利于充分发挥PLC集中控制多台设备的优势。所以可以采用单机有线传输和双机间无线传输的方案来解决这个问题。

具体实施方案是：1)将其中一台行车作为主机，可采用数据有线传输的方法安装，并将PLC安装在操作室内，并实现声光报警功能。并将另一台行车的信号采集和执行集中到一台无线收发器上。将另一行车台作为辅助机，只安装超声波测距仪，将所有的信号通过有线数据传输集中到一个无线收发器上。并将声光报警信号输送至操作室内。2)两台无线收发器安装于两台行车相对应的腹板或桁架平面上，并保证高度，左右距离的一致，以保证收发信号准确无误。

7.双行车无线传输信号的设置

（1）由于超声波测距仪只发出两个信号―减速与制动，对于行车来说，至少有三对信号是重叠的。为了避免行车出现一台防撞装置动作时正常运行的小车或另一台行车出现随动现象，（这种随动现象对于正在运行的行车非常危险，容易发生事故）必须对这三对信号在传输过程中作出区分。要保证行车既能在大车或小车采取制动时，又不影响的运行中的设备独立运行。

（2）由于主机的各种信号已经由PLC做出区隔，所以不用重新设置，但对于辅助机上的无线收发器信号和主机上的无线收发信号频率做出对应的区分。如小车防撞无线信号频率为减速5MHZ，制动为8MHZ。那么大车末端防撞信号频率为10MHZ，制动信号频率为13MHZ。大车相互防撞减速信号为15MHZ，制动信号频率为18MHZ。

（3）无线信号收发器的收发频率设置：两台无线信号收发器只是针对辅助行车的防撞信号进行无线传输，为了防止出现传输频点一致而导致误动作或相互干扰，就需要对接收和发送信号做出区分。如小车减速频率的无线信号设置为5MHZ，那么执行信号的频率就设置为6MHZ。小车制动频率的无线信号设置为8NHZ，那么执行信号的频率就设置为9MHZ。其余类同

（4）无线信号收发器的传输距离设置：可根据行车导轨的总长度+余量进行采购符合要求的信号收发器或自行设置，自行设置要保证在有效距离内的传输衰减量不超过5%，以保证信号传输的有效性。

（5）信号执行框图如下:

8.调试和维护

（1）自动控制系统预先设置，设置好后在地面进行测试，通过仪器检测各单元发送的信号是否有效，执行单元是否发出（下转第347页）（上接第242页）可靠的执行信号。测试完毕后可装上行车进行进一步调试。

（2）防撞自动控制系统安装完毕后，必须进行慢车接近和碰撞测试，精确设定超声波测距仪的减速距离和制动距离的设置，调整无线信号收发器的相对位置。精确设置完毕再进行一次慢车接近和碰撞测试，最后进行载荷状态下测试，以确保自动控制系统的准确有效。

（3）对于安装好的自动控制系统，应定期进行维护，包括各线路的完好检查，各连接点的螺丝紧固及无线信号收发器的清洁等。对于长期不用的设备还应定期对自动控制系统检查，测试。

超声波测距篇2

关键词：单片机；超声波测距；电磁铁

Automobileelectromagnetcollisionavoidancesystembasedonultrasonicdistancemeasurer

TongGuodong,XuHua,LiuTiesheng,YaoSusu

Yanchengteachersuniversity,Yancheng,224002,China

Abstract:Anautomobilecollisionavoidsystemisproposedinthispaper.Ontheonehand,thesoundalarmunitinthissystemcangiveawarnsignaltothedrivertomakethecarslowdownifdistanceofadjacentcaristoonear;ontheotherhand,theelectromagnetisusedtoreducethespeedofthecar.Thus,theautomobilecollisionmaybeavoidedeffectivelybytheuseageoftheproposedsystem.Whenthepowerofthesystemison,itfirstlycalculatethedistanceofadjacentcarsviaultrasonicdistancemeasurer.ThensoundalarmunitwillbetriggeredbytheMCUtowarnthedriverslowdownhiscarifthemeasureddistanceissmallerthanthepredeterminedvalue.Atthesametime,theelectromagnetunitisactivated.

Keywords:MCU;ultrasonicdistancemeasurer;electromagnet

随着汽车拥有量的不断增加，安全驾驶越来越成为大家关注的焦点，特别是在天气情况较差或司机处于相对疲劳状态时，汽车防撞系统(CollisionAvoidanceSystem,CAS)的设计和需求就显得更为重要和迫切[1]。目前的汽车防撞系统主要基于激光测距、红外测距以及采用无线收发模块等[2-4]，较新的方案还包括基于UWB技术的无线防撞系统[5]。已有的这些方案主要是根据系统测定的结果，通过语音提示司机人为减速来达到安全驾驶的目的；但是高速行驶中的汽车有着很大的惯性，刹车距离较长，完全依靠司机的临时减速，特别是司机疲劳或者没有集中注意力时，往往很难达到好的安全驾驶效果。

我们设计了一种能够自动辅助减速的防撞装置，使得汽车能够自主提前减速，达到安全驾驶的目的。该设计以STC89C52单片机为主控单元，利用超声波测距，在汽车与其他汽车的距离小于事先设定的安全距离时，启动语音报警装置，提醒司机减速，并同时启动电磁铁减速单元。该装置成本低廉，设计简单，汽车如果能够配备该装置，则可以在行驶过程中达到汽车自主辅助减速的目的。

1系统工作原理

1.1方案框图

汽车电磁防撞装置的具体框图如图1所示，该装置由超声波测距单元、单片机控制单元、语音报警单元以及电磁铁减速单元和复位电路等部分组成。需要说明的是，该装置需要在车前和车后都安装，以起到较为全面的安全防撞作用。

图1汽车电磁防撞装置框图

汽车在行进过程中，车前和车后防撞装置中的超声波测距单元都处于工作状态，当检测到自身与其他汽车的距离小于安全距离时，系统将发送信息给主控单片机单元，单片机将发送相应指令给语音报警单元提示司机采取相应措施，同时汽车中的电磁铁减速单元也会收到单片机的启动指令，两辆汽车的电磁铁减速单元就会迅速启动，电磁铁减速单元可以都设置为同名N极，由于同性磁极的相互排斥作用，使得汽车能够达到自主减速的目的，有效避免了汽车相撞的发生。如果未达到设定距离，则电磁铁单元不会开启，汽车处于正常行驶状态，当然此时的超声波测距单元仍然处于监测状态。

1.2系统工作模式

汽车防撞主要为正面防撞和追尾防撞两类方式，每一类方式中除了在同一车道上的相撞之外，还有可能存在与其他车道上的车辆的左侧相撞或右侧相撞，具体的示意图如图2所示。

a正面防撞示意图

b追尾防撞示意图

图2

图2(a)所示为A车和B车在相向行驶时的示意图，两车车头安装的防撞装置中的超声波测距单元不断监测距离，当检测到两车车头之间的距离达到事先设定的安全距离时，启动各自车头防撞装置中的减速单元，如图2所示，都作为N极出现，则两车间产生排斥力，达到自主减速的目的，起到防止正面相撞的效果。

图2(b)中A车和B车同向行驶，存在追尾的风险，同理，当B车的车速相对较快，B车车头和A车车尾防撞装置中测距单元检测到两车之间的距离小于事先设定的安全距离时，各自向主控单片机发出信息，主控单片机分别下达启动电磁减速单元的指令，使得B车车头和A车车尾防撞装置中的电磁减速单元开始工作，将B车车头和A车车尾装置中的磁极均设为N极，因此产生了排斥力，使得两车有效避免了追尾相撞的事故。

在超声波测距单元电路中，发射和接收超声波的超声传感器，在距离监测中起着关键的作用，传感器在发射超声波时，能量呈扇形分布，但是并不是均匀分布的，一般以传感器的中轴线方向为最强，而向两边逐渐减弱，当发射能量减小到一半左右时，此时的方向与中轴线的夹角称为“波束角”，波束角是超声波传感器探测范围的主要参数，一般在30°左右。因此除了图2(a)和(b)的两种情况外，传感器还可以探测到相邻车道中的汽车，起到左侧防撞和右侧防撞的效果。

通过超声波测距单元电路，利用回波时间计算出相邻汽车之间的距离，进而结合主控单片机，与事先设定的安全距离比较后，如果得出距离过近的结果，单片机启动语音电路和电磁减速单元电路，一方面提醒司机减速，另一方面利用同极磁体的排斥力进行自主减速，最大限度起到正面防撞以及追尾防撞的效果。

2系统硬件电路

2.1主控单片机电路

系统中采用了低电压、高性能的STC89C52单片机，它是STC89C51的增强型号，其中包含了可反复擦写的8kB的程序存储器和12B的RAM，器件采用高密度、非易失性存储技术生产，可以完全兼容标准的MCS-51系统。

STC89C52单片机的工作电压为5V，最高的工作频率为24MHz，有40个引脚，其中包含32个双向的I/O端口，2个全双工通信口，2个读写口线以及3个16位的可编程定时计数器。该单片机中可反复擦写的Flash存储器可以有效降低开发的成本，使得STC89C52单片机得到了广泛的使用。

2.2语音报警单元电路

该部分采用ISD1420P语音芯片及电路实现语音报警提示功能，ISD1420P芯片内部包含片上时钟、麦克风前置放大器等，它采用模拟存储技术，能够提供20秒的录放时间，且断电不丢失，语音质量高。

电路主要由驻极体话筒和扬声器加少量电容电阻组成，实现语音信号的输入输出，并且用1个二极管作为录音指示灯，通过8根地址线和2根录放控制线与单片机相连。在录音模式中，单片机将27脚置低，并送出相应的地址，从而实现分段录音。录音时发光二极管D1被点亮，D1熄灭表示录音结束。在需要报警时，只需要由单片机P0口送出所需报警内容的存储地址，给24脚一个下降沿信号，即开始放音，通过更改地址即可播放不同的预录语音信号，如可以事先录下“注意本车道正面防撞”“注意本车道追尾防撞”“注意左侧车道追尾防撞”等多种可能的语音报警内容，供单片机在实际行驶过程中根据具体情况调用，语音芯片接口原理图如图3所示。

图3语音芯片ISD1420P接口原理图

2.3超声波测距单元电路

该单元电路以超声波的发射、接收单元为核心，发射探头发射超声波后，遇到障碍物返回，接收探头接收到相应的信号，经过放大、整形等处理后发送给单片机，单片机根据超声波的往返时间间隔以及传播速度计算得障碍物的距离[6]。

在本系统中采用了DYP-ME007V2超声波测距模块，图4为其实物图。管脚1～5分别定义为：Vcc，Trig，Echo，Out，GND。

该模块包括了超声波发射单元、超声波接收单元和控制电路，以及温度补偿。该模块可以提供0.02～5m的测距范围，当该模块收到一个触发信号后，发射单元将开始发射超声波信号，如果探测范围内有障碍物，则接收单元会收到返回的信号，利用发送信号和返回信号的时间差则可以计算得到障碍物的距离。

图4DYP-ME007模块实物图

使用该模块时，需要占用单片机的两个I/O口，一个I/O口作为触发端，另一个I/O口作为回波PWM信号捕捉引脚。在开始写入程序时，先在Trig引脚给一个大约为10ms的高电平触发信号，同时该模块的内部将发出8个40kHz的周期脉冲并检测相应回波信号，同时读出环境温度，计算出真实的距离值，并将其变换成一个PWM的信号从Echo引脚输出。因此只需要读出PWM信号的高电平持续时间，由于该模块带有温度补偿，因此不管温度为多少，距离计算时只需要用340m/s即可，如果没有收到回波信号，则模块的回响信号脚将输出约65ms的电平，以防止发射信号的影响。

2.4电磁铁模块

如图5所示为电磁铁的驱动原理图，电磁铁利用通电的铁心线圈吸引衔铁，当电源断开时，电磁铁的磁性随之消失。电磁铁主要由线圈、铁芯和衔铁组成。本装置采用U型电磁铁作为小车防撞的主要设备，它包含一个U型铁芯，两个线圈和衔铁，线圈面缠绕塑料带表示线圈的绕向，电磁铁做成U型可以使磁感线在工件内形成通路，能大大增强排斥力。本设计采用的是车头和车尾装配统一的U电磁铁。车头和车尾N极和S极都在同一侧。能够使两个车同向和相向行驶时，都产生斥力。

图5电磁铁驱动原理图

当超声波测距单元检测到障碍物时，单片机P0口的相应管脚输出低电平，光耦芯片(Optoislator1)内部的发光二极管发光，另一边三极管由以前的截止状态变为导通状态，电源电压加到电磁铁P7上，电磁铁开始正常工作。

3结束语

笔者设计了一种以STC89C52单片机为控制核心的汽车电磁防撞装置，在汽车的车前和车后普遍安装该装置时，汽车在行驶过程中，该车与其他相邻汽车的超声波测距电路均在监测工作状态中，如果发现低于安全距离，则两车一方面启动各自系统中的语音报警装置，提示司机人为减速，另一方面，各自系统的单片机发出信号，分别启动电磁铁单元电路，产生同性相斥的阻力，达到主动减速的目的，与司机的人为减速一起，最大限度上避免汽车的相撞，车前和车后安装该装置，还考虑到了正面防撞和追尾防撞两种状况。如果采用其他性能更好和探测范围更大的超声波测距单元[7]，或者超声波测距阵列，可以提供更大范围、更为准确的探测和防撞。

参考文献

[1]戴巍.现代汽车防撞系统[J].实用汽车技术,2006,3:5.

[2]刘岩川,王玲芬,栾慧.基于激光测距技术的汽车防撞系统[J].仪表技术与传感器,2008,11:96-98.

[3]罗淳,熊庆国.智能汽车防撞报警器的设计开发[J].现代电子技术,2009,11:158-160.

[4]张旭辉,朱宏辉.基于nRF24E1与TMC2023的汽车防撞系统的研制与实现[J].电子技术应用,2004,11:61-63.

[5]王英,许可.基于UWB无线定位的汽车防撞系统设计[J].重庆邮电大学学报,2010,22(6):804-807.

超声波测距篇3

关键词：单片机；超声波；测距；程序设计；数据存储

1引言

随着社会的发展，人们对于距离的敏感度越来越高，生活上对距离的感知也越来越敏感，因此测距仪也受到了极大的欢迎。它主要有三类，一类是激光测距仪，是根据光电元件接收目标反射的激光束来计算出测距者到目标的距离。另一类是红外测距仪，利用红外线传播不扩散的原理进行测距，但方向性差。还有一类是超声波测距仪，但也有局限性，传播需要介质，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，碰到障碍物后就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波测距是一种非接触可直接检测技术，它对光线和被测对象的颜色等没有要求，与其它仪器相比更卫生，更耐高温、等恶劣环境，具有少维护、可靠性高、寿命长等优点。利用超声波检测往往比较快捷、性能稳定、能够实现实时检测等优点，所以它广泛的应用在全自动机器人，汽车倒车雷达等研制方面。

2工作原理

超声波测距系统结构超声波测距的基本工作原理是：发射探头发出超声波，在介质中传播遇到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从发射到接收所需的时间，然后根据介质中的声速，就能算得从探头到障碍物的距离。

3方案设计

本设计主要包括了硬件和软件设计两部分。按模块可划分为数据采集、按键控制、显示模块、电源电路和复位电路五个子模块。电路结构可划分为：超声波传感器和单片机控制电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。图1为系统整体框架图。图2为主程序流程示意图。

4结论

本设计是一种基于单片机技术上的超声波智能测距报警系统。该系统通过以AT89C51单片机为处理系统核心，以超声波传感器为测量与物体之间距离的工具，它是一种被动式超声波探测器件，能够以非接触任何物体就测出与前方物体距离，并将此信号转换为电信号并且输出。该报测距报警系统的最大特点就是用户能够以最短的时间学会并且使用，了解其功能，简单适用；而且安装方便、智能相对性高、误报率低。

参考文献

[1]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海：复旦大学出版社，2005.

[2]李珍，付植桐著.单片机原理与应用技术[M].北京：清华大学出版社，2008.

[3]胡长胜.单片机实用技术教程[M].北京：北京师范大学出版社，2003.

[4]谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.

超声波测距篇4

从基本原理来说，自动对焦可以分成测距自动对焦和聚焦检测自动对焦。

测距对焦主要有红外线测距法和超声波测距法，红外线测距法，该方法的原理是由照相机主动发射红外线作为测距光源，并由红外发光二极管间构成的几何关系，然后计算出对焦距离，超声波测距法，该方法是根据超声波在相机和被摄物之间传播的时间进行测距的。

相机上分别装有超声波的发射和接收装置，工作时由超声振动发生器发出持续超声波，超声波到达被摄体后，立即返回被接收器感知，然后由集成电路根据超声波的往返时间来计算确定对焦距离。红外线式和超声波式自动对焦是利用主动发射光波或声波进行测距的，称之为主动式自动对焦。

（来源：文章屋网）

超声波测距篇5

【关键词】超声波;测距;语音合成技术

一、背景及意义

中国是全世界盲人最多的国家之一，目前我国眼部残疾人士多达600万，占世界眼疾人数的18%。眼部疾病在中国也是一个主要的公共卫生问题。由于生理上的缺陷，盲人在生活、工作等方面有着诸多不便。在当今人体可穿戴设备快速发展下，如何设计出盲人可穿戴设备对盲人和社会具有十分重要的意义。

二、超声波测距的实现

（一）超声波测距原理

超声波是一种振动频率高于20kHz的机械波。目前超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种[1]。本设计采用超声脉冲回波渡越时间法。超声波传感器在发射超声波时开始计时，当途中遇到障碍物时立即回传，接收器接收到反射波时停止计时。设超声波脉冲由传感器发出到接受所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为340m/s，则传感器到目标的距离S=340*t/2m。这就是渡越时间法的测量原理。

图1超声波测距原理框图

（二）超声波测距的误差分析

根据超声波测距公式s=c×t，主要分为以下两个方面的误差：

1.时间误差

当要求测距误差小于1mm时，已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。测距误差t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs[2]。

从而可知在超声波传播速度准确的前提下当要求误差在毫米级时，时间差在微米级。由于89C51单片机的晶振频率为11.1592MHz，因此使得单片机能达到微米级的精度，从而确保误差在1mm之内。

2.超声波传播速度误差

超声波传播受环境温度影响比较明显。温度为0℃时超声波速度是344m/s，30℃时达到349m/s。一般温度每升高一度，传播速度大约增加0.6m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。解决温度带来的影响一般采用温度补偿法[3]。由于本设计要求测量距离在5m之内，因此综合考虑可以忽略这种误差。

三、硬件电路的设计

（一）超声波发射电路

超声波发射电路由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计由单片机产生40KHz的方波，选用74LS04芯片进行信号放大（见图2）。

（二）超声波接收电路

由于超声波在空气中的传播过程中会发生衰减，如果距离较远，那么接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，此时单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。

CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载;而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。

图3超声波接收电路图

（三）语音合成模块

此模块电路采用SYN6658语音合成芯片。SYN6658通过UART接口或SPI接口通讯方式，接受带合成的文本数据，实现文本到语音的转换。具有清晰、自然、准确的中文语音合成效果。可采用GB2312、GBK、BIG5和Unicode四种编码方式[4]。

图4语音合成模块电路图

主控制器和SYN6658语音合成芯片之间通过UART接口或SPI接口连接，控制器可通过通讯接口向SYN6658语音合成芯片发送控制命令和文本，SYN6658语音合成芯片把接收到的文本合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放（见图4）。

四、软件设计

主程序对整个单片机系统进行初始化后，单片机提供一个10us以上的脉冲触发信号来触发超声波发射电路，同时将定时器T0启动，在接收到超声波信号后关闭定时器，根据根据时间差计算出距离，然后调用语音播放程序，根据实际距离来选择播报不同的信息。

图5总系统流程图图6语音播放流程图

部分程序：

#include<AT89x51.H>

#include<intrins.h>

voidmain（void）

{unsignedcharTempCyc;

Delay400Ms（）;

LCMInit（）;

Delay5Ms（）;

DisplayListChar（0，0，mcustudio）;

DisplayListChar（0，1，email）;

ReadDataLCM（）;

for（TempCyc=0;TempCyc<10;TempCyc++）

Delay400Ms（）;

DisplayListChar（0，1，Cls）;

while（1）

{

TMOD=0x01;

TH0=0;

TL0=0;

ET0=1;

EA=1;

while（1）

{

StartModule（）;

//DisplayOneChar（0，1，ASCII[0]）;

while（！RX）;

TR0=1;

while（RX）;

TR0=0;

Conut（）;

delayms（80）;

}}}

五、结语

本系统经过多次试验，测试所得结果与设计要求基本一致。该超声波测距的导盲设计有效距离可达到3.8m，测量精度为2.0cm，同时可以实时地通过语音模块播报提示，具有很好的导航功能，能够能够满足盲人导航器的设计要求，为盲人安全行走提供了保障。

参考文献

[1]时德钢，刘晔，王峰，韦兆碧，王采堂.超声波精确测距的研究[J].计算机测量与控制，2002，10（7）.

[2]纪良文，蒋静坪.机器人超声测距数据的采集与处理[J].电子技术应用，2006.

[3]白顺先.超声波测距系统的设计与实现[J].高校理科研究，2000（08）.

[4]SYN6588中文语音合成芯片数据手册[Z].北京：北京宇音天下科技有限公司，2012.

超声波测距篇6

>>高精度超声波测距系统设计基于无损探伤仪的高精度超声波测距系统的设计与实现基于FPGA的高精度超声波测距仪设计高精度超声波智能测距仪的设计与实现基于AVR单片机高精度远距离超声波倒车雷达的设计基于超声波的移动测距系统设计基于超声波测距的图形显示倒车雷达设计基于时差测距法的高精度倒车雷达预警系统设计基于STM32的超声波测距系统超声波传感器测距系统的设计基于超声波测距的跟随小车设计基于单片机的超声波测距设计基于单片机的超声波测距系统的设计基于单片机的超声波测距系统设计基于AT89C2051单片机的超声波测距系统设计基于超声波测距的船舶超载远程检测及报警系统设计基于STM32的超声波测速测距系统设计基于温度补偿功能的超声波测距系统设计一种基于超声波测距的导盲系统设计超声波测距系统常见问题解答当前所在位置：

关键词：卡尔曼滤波器；NIOSII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。

NIOSII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VerilogHDL设计，卡尔曼滤波模块通过NIOSII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：

[1]栗素娟，朱清智，阎保定基于NiosII的机器人视觉伺服控制器的研究与设计[J].电子设计应用，2007，（6）：104-105

[2]方茁，彭澄廉，陈泽文，基于NIOS的SOPC设计[j].计算机工程与设计，2004，25（4）：504-507

[3]王锐，雷金奎，基于软核NiosII的SOPC数据采集系统的设计[J].计算机测量与控制，2008，（8）

[4]唐思章，黄勇，SOPC与嵌入式系统软硬协同设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2005，（12）：5-8