畢業(yè)設(shè)計（論文）- 基于ARM的超聲波測距模塊開發(fā)

河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 第一章 概述 . 1 . 1 . 1 . 1 . 2 . 3 . 3 . 4 第二章 系統(tǒng)原理分析 . 5 . 5 . 5 . 5 . 6 . 6 . 7 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計 . 11 . 11 . 11 . 12 . 13 . 13 . 13 . 14 . 14 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 . 16 . 16 . 16 . 16 聲波傳感器 . 16 . 17 . 17 . 19 . 20 . 20 . 21 . 21 行通信協(xié)議 . 21 行通信總線標準接口 . 21 . 22 . 22 . 22 . 23 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 . 24 . 24 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) . 25 第六章 系統(tǒng)測試 . 29 . 30 . 31 第七章 系統(tǒng)展望 . 33 結(jié)束語 . 34 致 謝 . 34 參考文獻 . 35 附錄一、系統(tǒng) . 37 附錄二、整機實物圖 . 37 附錄三、主要程序代碼 . 38 附錄四、翻譯 . 41 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 1 第一章 概述 題來源 超聲波測距技術(shù)是近年來出現(xiàn)的測距新技術(shù) 1,是一種非接觸的檢測方式 ,和紅外、激光及無線電測距相比 , 它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性能高、價格便宜、安裝維護方便等優(yōu)異特性 ,在近距范圍內(nèi)超聲測距具有不受光線、顏色以及電、磁場的影響 ,在惡劣作業(yè)環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力 2。 因此利用超聲波測距在實現(xiàn)定位及環(huán)境建模場合 ,如 :液位、汽車防撞雷達、井深及管道長度測量、機器人定位、輔助視覺系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用 。 但傳統(tǒng)的超聲波測距儀測量精度普遍較低 ,都不能滿足高精度測量的要求 。 為了克服此不足 , 作者 從測距儀結(jié)構(gòu)設(shè)計和回波信號處理的角度出發(fā) ,提出了基于回波包絡(luò)峰值 3的檢測方法 ， 從而進一步提高測距儀超聲檢測的精度、 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性對。本設(shè)計是基于 聲檢測技術(shù)簡述 聲波檢測 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)聲波振動 頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。一般人耳能聽到的聲音的頻率范圍在 2020間，頻率低于 20波稱為次生波，而高于 20波稱為超聲波，頻率高于 910 4。聲波頻率界限如圖 1聲波檢測中常用的工作頻率在 20圍內(nèi)。 由于超聲波具有的這些良好的品質(zhì)，超聲波的研究和應(yīng)用已經(jīng)滲入工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)學以及航天和航空等領(lǐng)域并且取得了卓有成效的進展 5。甚至有人認為超聲技術(shù)可以和 電子技術(shù)、信息技術(shù)以及核技術(shù)相媲美，是一門具有廣闊發(fā)展前景的高新技術(shù)。 圖 1河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 2 聲檢測誤差來源 本系統(tǒng)采用渡越時間法進行物位測量，通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到被測界面所反射回來的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t，然后求出待測物位到傳感器的距離 L,在已知聲速 難得出： L= （ 1） 下面對影響超聲波距離測量精度的因素進行逐一分析。 （ 1）聲速 從式 (1)可以看出，必須知道聲波在媒質(zhì)中的傳播速 度 v，才能從傳播時間求出待測距離，但是各種媒質(zhì)有不同的聲速。因此，在實際測量時，很難把聲速看成一個不變的恒量。當媒質(zhì)的成分、溫度、壓強等因素都沒有很大的變化，而且測量精度要求又不很高的情況下，把聲速當作不變的方法才能勉強滿足測量要求，否則就應(yīng)該進行聲速校正。 在多數(shù)情況下，溫度是影響聲速的一個重要因素，例如在空氣中聲速理論公式為： 6 0 2） 式中 T 為攝氏溫度，式（ 2）表明空氣中聲速是溫度的函數(shù)，此時式 (1)為 16 0 6 0 ）（ m （ 3） 不難看出，溫度每變化 1 ，引起聲速變化約千分之 對測量結(jié)果影響較大。所以，應(yīng)進行溫度補償。通常情況下，可在設(shè)備中安裝溫度敏感元件，采用適當?shù)难a償電路，利用敏感元件的輸出信號來對聲速進行校正。 （ 2）硬件響應(yīng)時間 硬件電路是有一定延時的。例如濾波電路一般在幾十微秒左右。另外超聲物距測量系統(tǒng)中廣泛采用 對來講也比較大。例如利用 外部中斷來檢測回波觸發(fā)信號。盡管它己經(jīng)被設(shè)置為最高的中斷優(yōu)先級，并且 不會被其他的中斷所阻礙，但是中斷響應(yīng)是需要一定時間的。 （ 3）觸發(fā)時間 一般來說，以接收信號的幅值超過我們規(guī)定的閾值時的時刻作為停止計時信號 6。當待測物位發(fā)生變化時，接收電路輸出信號的幅值就發(fā)生變化，距離近輸出信號幅值較大，此時在回波信號的第二周幅值就有可能超過規(guī)定的閾值，進而河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 3 發(fā)出停止計時信號，距離較遠時，輸出信號幅值較小，回波信號的第 3周（甚至第 4 周 )幅值才有可能超過規(guī)定的閾值，并發(fā)出停止計時信號。從理論上講，停止計時信號應(yīng)在圖中的 于閾值的存在，而實際停止信號是在下圖中的 出。并且發(fā)出的時刻（時間檢出點）是隨物位的變化而變化，這種“時間檢出點”的變化就產(chǎn)生了物位測量的誤差。 統(tǒng)任務(wù)和要求 1、測量范圍： 0 15m 2、測量精度： 1% 3、使用溫度范圍： 50 4、顯示： 液晶顯示 5、電源： 內(nèi)置電源，外置穩(wěn)壓電源 12 24V 6、抗干擾： 去噪聲能力強 (檢波能力強 ) 7、檢測類型： 用 1 或 2 個超聲頭 8、外部接口： 口 統(tǒng)方案設(shè)計 超聲波測距技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中得到廣泛的應(yīng)用。超聲波測距電路多種多樣，甚至已有專用超聲波測距集成電路 ，但是 有的電路復(fù)雜，技術(shù)難度大，有的調(diào)試困難，專用集成電路的成本很高，操作很不方便。 目前，國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路的精度只能達到厘米級，可以滿足一般工業(yè)測量的要求，圖 1大濾波后的回波信號 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 4 但對于一些精度要求較高測距場合就不合適了。 本測距系統(tǒng)是基于 發(fā)的 ，抗干擾性強，利用超聲波測距原理，結(jié)合數(shù)據(jù)處理，測量精度可以達到毫米級。串行通信、 示于一 體。 串行通信功能可以使系統(tǒng)和 進行通信； 示功能用于顯示測量數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)采用渡越時間法測量超聲波，所謂渡越時間法可以表述為：設(shè)超聲波發(fā)射傳感器到目標障礙物的距離為 L，超聲波在空氣中的傳播速度為 v，超聲波從發(fā)射到接收傳感器接收所經(jīng)歷的渡越時間為 t，則 L=。 其中該系統(tǒng)中超聲波的往返時間間隔由 過外部中斷定時獲得，并將定時結(jié)果通過軟件的算法算出最終距離，將最終結(jié)果通過 液晶顯示。再通過 口通信，將測得數(shù)據(jù)送給上位機顯示，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。 為了充分利 用 量降低測距系統(tǒng)的成本，系統(tǒng)采用 0方波信號，驅(qū)動超聲波傳感器，為了增強測距范圍，在發(fā)射部分增加信號功率發(fā)大電路，為了進一步提高發(fā)射信號的功率 ，從而提高測距范圍。在對接收信號的處理，系統(tǒng)采用了電壓跟隨、放大、電壓比較的方案，成本低廉，由于超聲波在傳播的過程中有很大程度的衰減，當?shù)竭_超聲波接收傳感器的時候，信號已經(jīng)此相當?shù)男?，因此必須對接受信號進行放大，放大后再送往電壓比較器進行比較。通過比較檢測出有用信號，送給 而實現(xiàn)對待測距離的測量，由于環(huán)境溫 度對超聲波傳播速度的影響比較大，所以需要采集環(huán)境溫度，并對超聲波傳播速度進行修正。 為了便于實時檢測、控制，可以將測量到的數(shù)據(jù)每次距離變化時通過串口傳送給上位機，上位機可對測量到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的數(shù)字信號處理。 統(tǒng)開發(fā)意義及應(yīng)用 超聲波檢測與控制技術(shù)是以超聲波作為采集信息的手段，能在不損壞和不接觸被測量對象的情況下探測對象。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，超聲波測距是一種很有效的測量方法，有著廣泛的應(yīng)用。但目前的超聲波測距系統(tǒng)存在著精度低，盲區(qū)大及測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題。針對上述缺點，作者 設(shè)計了獨特、有效的盲區(qū)消隱和接收信號處理方法，并進行溫度補償，從而提高了測量精度和靈活性；以 制了智能化、便攜式超聲波測量系統(tǒng)。該系統(tǒng) 的 各種技術(shù)指標均能達到工程應(yīng)用的要求，具有很大的市場潛力。 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 5 第二章 系統(tǒng)原理分析 聲波檢測系統(tǒng)分析 聲波測距原理 本系統(tǒng)以 核心，由 制定時發(fā)出方波信號，同時準備接收。發(fā)射機產(chǎn)生 40右的脈沖信號，經(jīng)放大后驅(qū)動超聲波傳感器，方波信號經(jīng)超聲波傳感器轉(zhuǎn)換為超聲信號向障礙物發(fā)射。超聲波信號在介質(zhì)中傳播遇到待測物體表面時， 由于不同介質(zhì)的反射性能差異很大，對超聲波的傳播影響不同。其發(fā)射波被接收電路接收時，轉(zhuǎn)變成電信號，該信號經(jīng)相應(yīng)地選頻、檢波、放大后，再進行信號判別，給 應(yīng)的觸發(fā)信號， 接收數(shù)據(jù)進行處理，并參照發(fā)出控制脈沖的基準時間，得出超聲波在介質(zhì)中的傳播時間。其基本檢測實現(xiàn)方法如圖 2示。其原理可用公式表示為 度補償原理 常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中傳播速度為 m/s，式中 為氣體摩爾質(zhì)量； r 為氣體的比熱比； R 為氣體常數(shù)；T 為熱力學溫度。對于一定的氣體 r、 為定值。由公式可知：聲速與熱力學的平方根成正比。溫度越高聲速越大，溫度越低聲速越小。必須考慮溫度對超聲波的傳播速度的影響，設(shè) 0聲速為0v，則 t 聲度為 730 m/s, 273( m/s 。又 0 ，空氣中聲速的實驗值為 s，2系統(tǒng)圖 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 6 那么 t 氣中聲速的表達式為： 27310 ，式中 vm/s，即： 27 。用 行開方運算在程序上實現(xiàn)比較困難，為了便于 言編程，現(xiàn)用數(shù)學軟件 程實現(xiàn)對公式的簡化，運用項式擬合編程實現(xiàn)如下： t=0:00; %擬合的溫度范圍 1+t/273). %聲速與攝氏溫度的理論公式 v=t,); %擬合出的聲速與溫度多項式 fv=v,t); ,2,1) t,.,t,; 藍色曲線為理論速度曲線 ); 速度 m/s); 溫度 t( ); ,2,2); t,; y=v); 紅色曲線為擬合速度曲線 ); 速度 V(m/s); 圖 2合曲線和理論曲線比較 溫度 t( ); 運行 序得出的擬合 聲速與攝氏溫度曲線與理論上聲速與攝氏溫度曲線對比圖 2運行程序后，可得擬合聲速 與攝氏溫度的關(guān)系： 4 2 16 0 6 0 t m/s。 于是，通過傳感器測的空氣中的溫度代入上述公式，即可得到超聲波在空氣中的傳播速度 v ，再檢測出超聲波在空氣中傳播的時間 T，便可得到超聲波在空氣中傳播的距離： 聲波檢測預(yù)備知識 聲波的應(yīng)用 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 7 超聲波傳 感器是利用超聲波特性而研制成的傳感器，超聲波傳感器技術(shù)已廣泛用 工業(yè)、國防、交通、生物醫(yī)療和家庭領(lǐng)域 。超聲波技術(shù)的應(yīng)用如下表所示。 用途 備注 用 途 備注 工 業(yè) 金屬材料及 非金屬材料的探傷 測量金屬與非金屬的厚度 超聲振動切削加工（金屬與非金屬） 超聲波清洗零件 超聲波焊接 超聲波流量計 超聲波料位及液位檢測與控制 超聲波顯微鏡 溫度計 各種制造業(yè) 板材、管材 鐘表業(yè)、精密儀表、軸承 半導(dǎo)體器件生產(chǎn) 化工、石油、輕工 海洋 魚群探測 深度測量 聲納 水中攝影 通信 定向通信 醫(yī)療 超聲波診斷儀（顯像技術(shù)） 超聲波胎兒狀態(tài)檢查儀 超聲波血流計 超聲 潔牙器 斷層圖象 聲波傳感 器 （ 1）超聲波傳感器原理 超聲波傳感器有兩種工作方式：直射式，反射式。反射式超聲波傳感器的工作原理如圖 2示。首先由振蕩器產(chǎn)生 40波信號，在經(jīng)過放大器來驅(qū)動超聲波發(fā)送器，使之發(fā)出 40聲波向外傳播，超聲波接收器接收到上述信號后，就通過放大器和濾波器得到控制信號，送至控制器。圖中的 a、 b 構(gòu)成雙晶體片，再 40聲波驅(qū)動下，發(fā)送器中的雙晶體片在不同方向被壓縮或拉伸就形成了超聲波。 (2)超聲波基本特性 2某超聲波發(fā)射器的頻率特性曲線，0該頻率處，發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲波最強，即超聲聲壓能級最高，而在0壓能級迅速衰減。因此在使用當中，一定要用頻率接近0聲波傳感器的工作原理 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 8 壓來驅(qū)動超聲波發(fā)射器。圖 2其中0由圖 2，當并聯(lián)電阻較大時，曲線在0接受靈敏度最高，可知超 聲波具有較好的選頻特性，其特性優(yōu)勢與并聯(lián)電阻 于傳感器壓電晶片是一個圓形片，故可以把其表面劃分為許多小點，把每個點都看作為一個振蕩源，輻射出一個半球面波 子波，這些子波雖沒有指向性，但離傳感器空間某一點的聲壓是這些子波疊加的結(jié)果，都具有指向性，如圖 2示，當 0 時，聲壓最大，角度逐漸增大或減小時，聲壓減小。 （ 3）超聲波的回波檢測 小波分 析理論 小波分析是一種信號的時間一尺度 (時間一頻率 ) 分析方法 ， 它具有高分辨率的特點 ， 而且在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力 ， 是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變、時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法 。它在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率 ,在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率 。 因此 ， 可以利用小波分析法對接收到的回波信號進行分析、去噪 ， 獲得更加平滑、有效的回波包絡(luò)曲線 ， 進而可以利用峰值圖 2聲波發(fā)生器的頻率特性 圖 2聲波接收器的頻率特性 圖 2聲波傳感器的指向特性 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 9 圖 2波包絡(luò)峰值檢測波形 檢測法準確計算出回波前沿的到達時刻 。 我們在這里采用 因為當其形狀控制 參數(shù)取較小值時 。 在幾何形狀方面 ,它較其它類型小波函數(shù)更加相似于接收回波波形 。 根據(jù)小波分析的最大匹配原則 ， 當子波與所分析的號在幾何形狀上越相似時 ， 利用該子波提取到的信號特征就越準確 。 22221)( （ 1） 式中 j = - 1， 為形狀控制參數(shù) ， 當取 = 1時 ， 其實部、虛部及模如圖 2示 。 從圖 2復(fù)小波 函數(shù)的模可完全平滑地包絡(luò)其實部和虛部 。 因此 ，利用復(fù)小波函數(shù)的模便可很容易獲得回波信號的小波包絡(luò)分析 。 回波信號經(jīng)小波包絡(luò)運算處理后 ,可以幫助剔除環(huán)境噪聲信號 ,獲得更平滑、理想的回波包絡(luò)曲線 。 利用包絡(luò)峰值檢測原理對小波包絡(luò)后的回波信號分析處理 ,從而準確計算回波前沿的到達時刻 。 圖 2河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 10 回波信號的包絡(luò)峰值檢測 根據(jù)小波分析理論提出一種新的確定回波前沿的計算方法 ， 即回波信號的包絡(luò)峰值檢測法 。 通過示波器對回波波形進行觀察 ,可以發(fā)現(xiàn)對同一探測物 ,不同傳播距離的回波包絡(luò)線都有較好的一致性 ， 回波波形都大致相同 ， 只是波幅不同 ，并 且同一距離時的不同類型探測物的回波波形也大致相同 ， 只是波幅不同 。 從工程精度考慮 ， 可以認為超聲回波幅值包絡(luò)線的形狀基本不隨回波信號的大小而變化 。 即回波信號包絡(luò)峰值所對應(yīng)時刻 b- a) 不隨探測物遠近的變化而變化 。 而時間差 ( b- a)也容易通過實驗計算出來 。 因此 ， 可將接收回波信號的包絡(luò)峰值所對應(yīng)的時刻 用回波包絡(luò)峰值所對應(yīng)時刻與回波前沿到達時刻的時間差 ( b- a) 就可消除由于時間檢出點變化所引起的測量誤差 。 回波信號在進行線性包絡(luò)檢波之后 ， 在 分別通過微分電路、零點交叉檢測 ，最后進入 的入口 ， 從而完成傳播聲時的準確計時 。 因為采用包絡(luò)峰值時間點的檢測方法與信號振幅無關(guān) , 故具有優(yōu)良的傳輸時間檢出特性 。 包絡(luò)峰值檢出原理及波形如圖 2 包絡(luò)峰值檢測也可以消除虛假回波的干擾 ， 使達到閥值的虛假回波可以被峰值檢測濾掉 。 因為超聲波接收回波的幅值隨傳播距離的增加而成指數(shù)規(guī)律衰減 ， 所以采用 路使放大倍數(shù)隨距障礙物距離的增加成指數(shù)規(guī)律增加的電路 。 在計數(shù)器開始計時的時刻 ， 壓開始隨時間增加而增加 ,在檢測到回波脈沖后清零 。 零交叉點檢測 可以保證回波到達時刻不受回波大小變化 。 采用鑒寬電路可以抑制偶然的尖峰干擾信號 ， 使尖銳的干擾信號被鑒寬電路擋住而不能到達電平比較電路 。 因此 ， 采用包絡(luò)峰值檢測可以保證回波前沿的準確到達時刻 。 接收器等待發(fā)射脈沖第一個回波的同時，通知定時器 /計數(shù)器 微處理器的外部中斷接收到回波到來信號， 數(shù)器停止計數(shù)。 旦識別到的第一個回波到達時 ,便發(fā)生中斷，終止內(nèi)部計數(shù)器計數(shù) ,并對計數(shù)器中的數(shù)據(jù)進行程序處理。 過內(nèi)部設(shè)定程序的運算，可以算出超聲波傳感器到當前的障礙物的距離，并將測得的距離實時地在液晶顯示模 塊上顯示。 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 11 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計 能測量模塊總體設(shè)計 利用第二章講述的測距原理，作者設(shè)計了 超聲波測距系統(tǒng) ，它的作用是檢測當前障礙物的距離，并將測得的結(jié)果實時地在液晶上顯示出來，并可將檢測得到的數(shù)據(jù)值通過 85 網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機控制器。 由圖可看出該系統(tǒng)共有 5 個模塊組成：超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度補償模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊。對于具體電路模塊的介紹見以下章節(jié)。 聲傳感器的選擇 超聲檢測精度取決于檢測方法、儀器和超聲換能器性能。目 前在低超聲頻段(20100喇叭輻射面的面積比棒狀換能器 大，所以輻射面的聲強較低，與其粘結(jié)的不銹鋼板表面空化腐蝕小。 在本系統(tǒng)中采用喇叭狀換能器， 這種換能器尤其在較高頻段 40上 )，其優(yōu)點更為突出。因為它可以削弱橫向振動所帶來的不良影響，頻帶也較寬。在選擇中，要綜合考慮超聲接收換能器各項參數(shù)指標，比如其與電路的阻抗匹配問題，如果電路的輸入阻抗與換能器的阻抗不一致，圖 3聲測距原理框圖 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 12 就會引起駐波，使波形模糊。 聲信號的處理 系統(tǒng)的性能受背景噪聲的限制，從抗干擾的角度來說，應(yīng)充分利用信號場與干擾場在時 超聲信號進行處理，以便最大限度地獲得增益。 1信號的放大和噪聲的抑制。 由于從接收換能器傳來的信號很微弱，又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是首先必須考慮的。通常使用低噪聲晶體多級調(diào)諧放大器完成此項任務(wù) 11。在檢測過程中，由于工作頻帶窄，故應(yīng)按功率匹配，使前置放大器的輸入阻抗與換能器輸出阻抗的數(shù)值相近。通帶中心頻率等于信號頻率。這樣環(huán)境噪聲中的絕大部份能量就被阻擋在通帶之外了，但對通帶內(nèi)的噪音抑制則無能為力?？梢酝ㄟ^增加發(fā)射功率和提高接受基陣的方向性來提高信噪比 ，使這個問題得到改善。 2混響及其抑制。 通常較簡單的抑制混響方法是使用一定時間規(guī)律 (例如指數(shù)規(guī)律 )來控制接收機增益的時間，增益控制界 (出現(xiàn)在接收機輸入端的信號和混響及噪聲進行動態(tài)壓縮。要使放大器增益隨時間變化的規(guī)律與混響隨時間衰減的規(guī) 律嚴格相反是很困難的， 補償?shù)姆椒ㄊ窃黾右粋€自動增益控制器(12。 3回波信號的處理。 回波信號的包絡(luò)通常是不規(guī)則的，不便對它進行數(shù)字處理，所以對它整形是必要的，整形電路形式多樣，可以是單穩(wěn)態(tài)電路，也可以是施密特觸發(fā)器或其它電路。 為了進一步濾除噪聲及混 響的影響，可設(shè)置一門限檢測閾值，該門限電平一般大于噪聲的均方根值。當信號超過閾值時判斷為有目標回波，若閾值過高，只有強信號才能被檢出，這樣檢出概率就降低；若閾值過低，信號超過閾值的機會多了，但同時噪聲超過閾值的機會也多，則檢出的有用信號夾雜的噪聲就會增多。 4對目標回波信號的進一步處理。 進行數(shù)字濾波和計算，求從發(fā)射信號開始到收到目標回波為止的深度 (距離 )歷經(jīng)時間值，并將它轉(zhuǎn)換成深度 (距離 )值，然后將此值顯示并打印?？刹捎梦⑻幚砥?。 本系統(tǒng)中，由 生的波形通過隔離放大后驅(qū)動超聲換能器的發(fā)送端，換能器的 接收端接收的信號比較弱，另外由于換能器 本身的特性和聲程中隨機干河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 13 擾、傳播介質(zhì)的非均勻性等造成的信號時延抖動是隨機的， 包含很多的噪聲信號。又由于超聲波的傳播介質(zhì)中存在很多不確定的因素，難以抑制，這樣勢必影響檢測精度。對超聲信號的模擬處理首先我們對信號的輸出端進行隔離，防止回波產(chǎn)生，在混波信號中選取其中有用信號，濾除無用的噪聲信號，防止駐波干擾。在簡單的模擬化處理后，從軟件上對信號進行數(shù)字化的處理。 本系統(tǒng)中數(shù)字信號處理是在 此，作者采用平均濾波法，去除最大值和最小值后，將幾個采樣信號的平 均值作為一個信號值，這樣就能將信號中的瞬時干擾噪聲減小。選用多少采樣信號求其平均值，是根據(jù)信號頻率及噪聲的特征來確定的。同時也應(yīng)用程序判斷濾波法，從程序的角度判斷有用信號，將無用信號濾除，通過仿真實驗證明，通過以上的信號處理方法能有效的保證超聲信號的重現(xiàn)，失真程度也很小。 統(tǒng)模塊電路設(shè)計 智能測量模塊電路部分 主要包括超聲信號檢測電路、 晶顯示、 機控制器在液晶顯示屏中將具體數(shù)據(jù)顯示出來，液晶顯示采用字符型液晶顯示模塊。并將測得的數(shù)據(jù)通過串口傳送給上位機，同時進行存儲 。主機控制器總結(jié)構(gòu)框圖如圖 3 1 所示。 統(tǒng)通信總體設(shè)計 行通信基本概念 （ 1）數(shù)據(jù)通信的基本概念 系統(tǒng)在實際工作中，像上位機的 外部設(shè)備之間常常要進行數(shù)據(jù)交換一樣，為了通過上位機對系統(tǒng)進行實時控制，將系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)實時傳送給上位機，所有這些信息交換均可稱為數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)采用的是串行數(shù)據(jù)通信方式，接口圖 3河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 14 為 口，實驗證明這種通信方式簡單易行，符合本系統(tǒng)要求。 （ 2）串行通信 在串行通信過程中二進制數(shù)字系列以數(shù)字信號波形的形式出現(xiàn)。不論接收還是發(fā)送，都必須有時鐘信號對 傳送的數(shù)據(jù)進行定位。接收 /發(fā)送時鐘就是用來 控制通信設(shè)備接收 /發(fā)送字符數(shù)據(jù)速度的，該時鐘信號通常由處理器內(nèi)部的時鐘電路產(chǎn)生。在接收數(shù)據(jù)時，接收器在接收時鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣，進行數(shù)據(jù)位檢測 ;在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器在發(fā)送時鐘的下降沿將移位寄存器的數(shù)據(jù)串行移位輸出。如圖 3 2 所示 : 行通信過程 兩個通信設(shè)備在串行線路上實現(xiàn)成功的通信必須解決兩個問題 :一是串并轉(zhuǎn)換，即如何把要發(fā)送的并行數(shù)據(jù)串行化，把接收的串行數(shù)據(jù)并行化 ;二是設(shè)備同步，即同步發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的工作節(jié)拍相同，以確保發(fā)送的數(shù) 據(jù)在接收端被正確讀出。 統(tǒng)通信軟件設(shè)計 系統(tǒng)通信軟件由下位機、主機控制器通信軟件和上位機控制軟件三部分組成。 下位機通信軟件功能主要是接收主機控制器發(fā)送過來的信號，針對各下位機地址發(fā)送應(yīng)答信號，再根據(jù)主機控制器發(fā)來的控制信號做出相應(yīng)的反應(yīng)，隨后發(fā)送主機控制器所需數(shù)據(jù)。 其通信功能使用了 位機平時對各監(jiān)控點的進行數(shù)據(jù)采集并定時存貯，當有串行中斷時執(zhí)行串行中斷服務(wù)程序，判別是否為本機的地址信息，地址信息與本機地址相符時，轉(zhuǎn)為接收控制命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作；地 址信息與本站地址不符時則退出中斷。 下位機通信流程圖如圖 3 圖 3射接收時鐘數(shù)據(jù)位比較 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 15 主機控制器的通信軟件實現(xiàn)功能主要包括呼叫各從機，并向各機發(fā)送查詢控制命令。其工作過程為控制器發(fā)送需呼叫的從機的地址，然后等待接收從機的應(yīng)答信號，若應(yīng)答信號正確即發(fā)送控制命令，若應(yīng)答信號不正確則重新發(fā)送需呼叫的地址，并等待接收應(yīng)答信號，接收到應(yīng)答信號后接收有個下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲在相對應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲區(qū)并在 晶顯示屏中顯示出來。本系統(tǒng)的上位機控 制軟件由 寫，具有良好的可視效果，功能包括數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、串口通信設(shè)置等功能。上位機通信軟件界面如圖 3 圖 3圖 3位機通信軟件界面 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 16 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 鍵器件選擇 入式 處理器 1）嵌入式 處理器 6/32 位 5，并帶有 3264 512入的高速 儲器 15。 128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位 代碼能夠在最大時鐘速率下運行 17。多個 32 位定時器、 1個或 2 個 10 位 8 路的 10 位 道、 47 個 及多達 9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng) 18 （ 2）嵌入式 19 2 個 32 位定時器 /計數(shù)器（帶 4 路捕獲和 4 路比較通道）、 元（ 6 路輸出）和看門狗。 多個串行接口，包括 2 個 16業(yè)標準 2 個高速 口（ 400 s）、 具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的 片內(nèi)晶振頻率范圍： 1 30 單電源，具有上電復(fù)位（ 掉電檢測（ 路： 高速： 8051內(nèi)核，速度比普通 8051快 12倍。 晶顯示器 液晶顯示器 (借其功耗低、圖形美觀等多種優(yōu)勢，在儀器儀表產(chǎn)品中得到越來越多的應(yīng)用 ， 可以用軟件的方式設(shè)定系統(tǒng)功能， 由于選擇的是串行數(shù)據(jù)傳輸方式，所以 需要 6根線的接口。 聲波傳感器 本 測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器 20采 用生產(chǎn)的 信用 ） 和 受信用 ) 的壓電陶瓷傳感器 21。下圖為超聲波傳感器的型號說明： 圖 4聲波傳感器型號說明 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 17 聲波檢測模塊 超聲波檢測模塊主要包括發(fā)射超聲波產(chǎn)生、超聲傳感器驅(qū)動部分、超聲回波的接收放大、濾波、信號比較電路。根據(jù)所選超聲波傳感器的類型及個數(shù)，超聲波檢測電路可分為：收發(fā)分體回路和收發(fā)一體回路。下面對兩種方案進行介紹。 聲波收發(fā)分體回路設(shè)計 該方案采用一對單收、單發(fā)型超聲波傳感 器。發(fā)射電路主要由超聲波傳感器（發(fā)射），集成電路 成。電路采用 555 集成芯片構(gòu)成一個頻率為 40多諧振蕩器，再通過 成電路驅(qū)動超聲波傳感器。接收電路主要由超聲波傳感器（接收），集成運放 較器 成電路 012組成。 要是用來設(shè)置超聲波檢測的盲區(qū) 22。集成運放 成一級、二級放大電路，實現(xiàn)對超聲波回波信號的增幅， 是運用電壓比較的原理來設(shè)置檢測回波的閾值，從而 識別回波信號的到達。四個 2 輸入的與非門 4011 構(gòu)成一個 發(fā)器，保持超聲波的檢出信號 為一脈寬可變的正脈沖，脈沖寬度就是超聲波 渡越時間， 三極管9012用來實現(xiàn)對檢出正脈沖信號進行放大，然后送給 過中斷啟動內(nèi)部計數(shù)器對正脈沖進行計數(shù)，再進行處理得到脈沖的寬度，即超聲波的渡越時間 23。超聲波的整機 、發(fā)送及接收電路如圖 4圖 4 4示。 201811011510311*2V+12V+12V+12V+12V+12V+12V +12V+12件電路整機原理圖 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 18 圖 4聲波發(fā)送模塊 （ a）超聲波接收電路 （ b）延時電路 河海大學學士學位論文 基于 超聲波測距模塊開發(fā) 19 聲波收發(fā)一體回路設(shè)計 該方案 采用收