基于超声波和激光互补的测距系统设计【字数：9273】
摘 要随着当代经济的不断发展和科学技术的不断提高，人们在民用和军事领域都对测距系统的测量范围和测量精度有较高的要求，而一些传统的测距方式在某些情形下存在测量范围不足或测量不精确的缺陷。随着超声波和激光技术的快速发展，被迅速推广使用于汽车、航海、宇航、石油化工等工业领域。此类测量方式具有方向性好，测量精度高，检测速度快等优点。有逐步取代传统测距方式的趋势，将大大改变测距领域的格局，在国民经济和国防建设中有着非常重要的意义。本课题结合采用GY-US42超声波传感器模块与GY-53L1激光测距模块，对系统进行测距原理分析，比较选择最优方案，给出系统的硬件与软件设计。该系统性能良好、测量精度高、操作简易，能够有效地进行实时距离测量，方便人们日常所需。
目 录
1. 引言 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 课题研究的发展现状 1
2. 测距系统的工作原理 3
2.1 超声波测距 3
2.1.1 超声波概念 3
2.1.2 超声波特性 3
2.1.3 超声波测距原理 3
2.2 激光测距 4
2.2.1 激光概念 4
2.2.2 激光特性 4
2.2.3 激光测距原理 4
3. 方案的选择与比较 5
3.1 主控制器的选择 5
3.2 超声波测距模块的选择 6
3.3 激光测距模块的选择 7
3.4 显示模块的选择 8
4. 系统硬件设计 9
4.1 单片机电路设计 9
4.1.1 STM32F103C8T6单片机介绍 9
4.1.2 STM32F103C8T6最小系统设计 9
4.2 OLED显示屏电路设计 14
4.3 系统外围电路设计 15
5. 系统软件设计 16
5.1 系统软件开发环境 16
5.1.1 软件开发语言选择 16
5.1.2 软件开发平台选择 16
5.2 软件总体框架设计 16
5.3 主程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
设计 17
6. 系统测试与分析 22
6.1 系统软件仿真与分析 22
6.2 系统硬件测试与分析 23
结束语 26
参考文献 27
致谢 28
附录 29
1. 引言
1.1 课题背景与意义
随着科学技术的不断发展，测距系统的技术得到不断提高，日常生活中的一些事件的实现对测距功能有一定的需求。测距方式分为接触式和非接触式两种。接触式测距即传统测距方式，一般为人工测量或利用物理学的液位检测法，此类测量一般受温度、压力、距离等环境因素影响。因此伴随着持续发展进步的单片机与传感器技术，非接触式测量由此产生[1]。非接触式测距方式包含超声波测距、红外测距、激光测距、雷达测距几种方式[2]。超声波测距在测量受电磁干扰的被测物体时具有很强的适应能力。激光测距具有测量精度高、方向性好、抗干扰能力强等特点[3]。此类测距方式在民用军用领域都发挥了巨大的作用，对测距行业产生了深远的影响。在民用领域，可用于汽车倒车报警装置、测量大型建筑物的尺寸等，相比于传统的人工测量，大大提高了测量精度并消除环境因素的局限性。在军事领域，现代军事的信息化程度日益增加，各国都重视发展电子化测距系统，用于海陆空及航空领域的各种测量所需[4]。因此，通过大学四年的学习与经验积累，我设计本项目，在一定程度上能够方便人们日常生活测距所需，将所学的知识服务于社会。
1.2 课题研究的发展现状
超声波是频率高于20KHz，人耳听不到的高频振动声波。早在1830年，萨伐尔利用一个多齿齿轮第一次人工产生了24KHz的超声波。在随后的几十年里，人们对超声波技术了解及研究都不够全面，其发展受限制没有上升空间。直到第一次世界大战，德国人Mulhauser设计出一种超声波检测方法，各个国家重视并大力发展超声波技术并广泛用于军事领域。在接下来的几十年发展迅速，用于检测、探伤等领域。在进入二十一世纪后，随着电子信息技术的飞速发展，超声波测距技术广泛应用于汽车倒车，距离测量，机器人等领域[5]。当今社会，我国科研人员对超声波传感器、发射技术及回波检测作了大量研究，更多应用于液位测量、移动设备避障、汽车防撞等领域。放眼国际，基于国外科技的发展起步早及其成熟性，大多数国家拥有成熟的超声波测距系统，并着手于提高精度与消除环境因素的限制方面。
20世纪60年纪，第一台激光器产生，激光技术得到飞速发展，科研人员在激光技术用于测距领域作了大量研究。激光测距技术最早被美国用于军事领域，率先研究出第一台激光测距仪，在随后几十年各国积极发展激光测距技术并用于军事设备上。在军事领域得到广泛利用后，它的快速发展受到国内外的工业，科研机构，航天等领域的重视，由此衍生出光学仪器厂、激光公司等。国内激光测距技术发展始于80年代，如今发现技术相对成熟，成功研制出各种高精度激光测距仪。国际方面，各大公司及高校大力研究激光测距技术，激光测距系统被广泛用于工业制造及航空航天。
2. 测距系统的工作原理
2.1 超声波测距
2.1.1 超声波概念
超声波是一种特殊的声波，不同于其他声波，它是一种频率高于20KHZ的声波，我们的人耳是不能听见的。超声波具有很强的穿透性与方向性，多应用于军事与工业领域。
2.1.2 超声波特性
超声波的传播方式为直线传播，在传播过程中遇到障碍物时会发生反射。超声波能够在固体、液体及气体中传播且其穿透能力较强，与人们日常能够听到的声波相同，超声波在空气中的传播速度也是340m/s。超声波在传播时，具有很强的抗干扰性，不容易受环境因素影响。
2.1.3 超声波测距原理
本测距系统采用的超声波测距的原理为渡越时间法[6]。系统超声波测距原理图如图2.1所示，系统给超声波传感器施加驱动信号促使其发射超声波，同时记录发射时间t1，在超声波传输的过程中遇到障碍物后发生反射，当传感器接收到反射信号后记录当前时刻t2。根据声波传播的计算公式可得距离S=?v(t2t1)，其中v即声波在空气中的传播速度，一般为340m/s。
目 录
1. 引言 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 课题研究的发展现状 1
2. 测距系统的工作原理 3
2.1 超声波测距 3
2.1.1 超声波概念 3
2.1.2 超声波特性 3
2.1.3 超声波测距原理 3
2.2 激光测距 4
2.2.1 激光概念 4
2.2.2 激光特性 4
2.2.3 激光测距原理 4
3. 方案的选择与比较 5
3.1 主控制器的选择 5
3.2 超声波测距模块的选择 6
3.3 激光测距模块的选择 7
3.4 显示模块的选择 8
4. 系统硬件设计 9
4.1 单片机电路设计 9
4.1.1 STM32F103C8T6单片机介绍 9
4.1.2 STM32F103C8T6最小系统设计 9
4.2 OLED显示屏电路设计 14
4.3 系统外围电路设计 15
5. 系统软件设计 16
5.1 系统软件开发环境 16
5.1.1 软件开发语言选择 16
5.1.2 软件开发平台选择 16
5.2 软件总体框架设计 16
5.3 主程序 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
设计 17
6. 系统测试与分析 22
6.1 系统软件仿真与分析 22
6.2 系统硬件测试与分析 23
结束语 26
参考文献 27
致谢 28
附录 29
1. 引言
1.1 课题背景与意义
随着科学技术的不断发展，测距系统的技术得到不断提高，日常生活中的一些事件的实现对测距功能有一定的需求。测距方式分为接触式和非接触式两种。接触式测距即传统测距方式，一般为人工测量或利用物理学的液位检测法，此类测量一般受温度、压力、距离等环境因素影响。因此伴随着持续发展进步的单片机与传感器技术，非接触式测量由此产生[1]。非接触式测距方式包含超声波测距、红外测距、激光测距、雷达测距几种方式[2]。超声波测距在测量受电磁干扰的被测物体时具有很强的适应能力。激光测距具有测量精度高、方向性好、抗干扰能力强等特点[3]。此类测距方式在民用军用领域都发挥了巨大的作用，对测距行业产生了深远的影响。在民用领域，可用于汽车倒车报警装置、测量大型建筑物的尺寸等，相比于传统的人工测量，大大提高了测量精度并消除环境因素的局限性。在军事领域，现代军事的信息化程度日益增加，各国都重视发展电子化测距系统，用于海陆空及航空领域的各种测量所需[4]。因此，通过大学四年的学习与经验积累，我设计本项目，在一定程度上能够方便人们日常生活测距所需，将所学的知识服务于社会。
1.2 课题研究的发展现状
超声波是频率高于20KHz，人耳听不到的高频振动声波。早在1830年，萨伐尔利用一个多齿齿轮第一次人工产生了24KHz的超声波。在随后的几十年里，人们对超声波技术了解及研究都不够全面，其发展受限制没有上升空间。直到第一次世界大战，德国人Mulhauser设计出一种超声波检测方法，各个国家重视并大力发展超声波技术并广泛用于军事领域。在接下来的几十年发展迅速，用于检测、探伤等领域。在进入二十一世纪后，随着电子信息技术的飞速发展，超声波测距技术广泛应用于汽车倒车，距离测量，机器人等领域[5]。当今社会，我国科研人员对超声波传感器、发射技术及回波检测作了大量研究，更多应用于液位测量、移动设备避障、汽车防撞等领域。放眼国际，基于国外科技的发展起步早及其成熟性，大多数国家拥有成熟的超声波测距系统，并着手于提高精度与消除环境因素的限制方面。
20世纪60年纪，第一台激光器产生，激光技术得到飞速发展，科研人员在激光技术用于测距领域作了大量研究。激光测距技术最早被美国用于军事领域，率先研究出第一台激光测距仪，在随后几十年各国积极发展激光测距技术并用于军事设备上。在军事领域得到广泛利用后，它的快速发展受到国内外的工业，科研机构，航天等领域的重视，由此衍生出光学仪器厂、激光公司等。国内激光测距技术发展始于80年代，如今发现技术相对成熟，成功研制出各种高精度激光测距仪。国际方面，各大公司及高校大力研究激光测距技术，激光测距系统被广泛用于工业制造及航空航天。
2. 测距系统的工作原理
2.1 超声波测距
2.1.1 超声波概念
超声波是一种特殊的声波，不同于其他声波，它是一种频率高于20KHZ的声波，我们的人耳是不能听见的。超声波具有很强的穿透性与方向性，多应用于军事与工业领域。
2.1.2 超声波特性
超声波的传播方式为直线传播，在传播过程中遇到障碍物时会发生反射。超声波能够在固体、液体及气体中传播且其穿透能力较强，与人们日常能够听到的声波相同，超声波在空气中的传播速度也是340m/s。超声波在传播时，具有很强的抗干扰性，不容易受环境因素影响。
2.1.3 超声波测距原理
本测距系统采用的超声波测距的原理为渡越时间法[6]。系统超声波测距原理图如图2.1所示，系统给超声波传感器施加驱动信号促使其发射超声波，同时记录发射时间t1，在超声波传输的过程中遇到障碍物后发生反射，当传感器接收到反射信号后记录当前时刻t2。根据声波传播的计算公式可得距离S=?v(t2t1)，其中v即声波在空气中的传播速度，一般为340m/s。
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