基于ARM的超声波测距模块开发

基于 ARM 的超声波测距模块开发毕业设计（论文）基于 ARM 的超声波测距模块开发2目录第一章 概述 .11.1 课题来源 .11.2 超声检测技术简述 .11.2.1 超声波检测 .11.2.2 超声检测误差来源 .21.3 系统任务和要求 .31.4 系统方案设计 .31.5 系统开发意义及应用 .4第二章 系统原理分析 .52.1 超声波检测系统分析 .52.1.1 超声波测距原理 .52.1.2 温度补偿原理 .52.2 超声波检测预备知识 .62.2.1 超声波的应用 .62.2.2 超声波传感器 .7第三章 系统总体设计 .113.1 智能测量模块总体设计 .113.1.1 超声传感器的选择 .113.1.2 超声信号的处理 .123.2 系统模块电路设计 .133.3 系统通信总体设计 .133.3.1 串行通信基本概念 .133.3.2 串行通信过程 .143.4 系统通信软件设计 .14第四章 系统硬件设计 .164.1 关键器件选择 .164.1.1 嵌入式 ARM 微处理器 LPC2131.164.1.2 液晶显示器 .164.1.3 超声波传感器 .164.2 超声波检测模块 .174.2.1 超声波收发分体回路设计 .174.2.2 超声波收发一体回路设计 .194.3 液晶模块 .204.3.1 FYD12864-0402B 液晶模块介绍 .204.3.2 FYD12864-0402B 液晶模块的应用 .214.4 串口通信模块 .214.4.1 串行通信协议 .214.4.2 串行通信总线标准接口 .21基于 ARM 的超声波测距模块开发4.5 温度补偿模块 .224.5.1 温度传感器 DS18B20 原理 .224.5.2 DS18B20 与 ARM 接口电路 .224.6 电源模块 .23第五章 系统软件设计 .245.1 系统程序总体设计 .245.2 下位机程序设计 .25第六章 系统测试 .296.1 系统操作 .306.2 测试结果分析 .31第七章 系统展望 .33结束语 .34致 谢 .34参考文献 .35附录一、系统 PCB 图 .37附录二、整机实物图 .37附录三、主要程序代码 .38附录四、翻译 .410第一章 概述1.1 课题来源超声波测距技术是近年来出现的测距新技术1,是一种非接触的检测方式,和红外、激光及无线电测距相比, 它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性,在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响,在恶劣作业环境下有一定的适应能力2。 因此利用超声波测距在实现定位及环境建模场合,如:液位、汽车防撞雷达、井深及管道长度测量、机器人定位、辅助视觉系统等方面得到广泛的应用。但传统的超声波测距仪测量精度普遍较低,都不能满足高精度测量的要求。为了克服此不足, 作者从测距仪结构设计和回波信号处理的角度出发,提出了基于回波包络峰值3的检测方法，从而进一步提高测距仪超声检测的精度、系统的稳定性和抗干扰性对。本设计是基于 ARM 来实现的。1.2 超声检测技术简述1.2.1 超声波检测声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特超声波。一般人耳能听到的声音的频率范围在20Hz20kHz 之间，频率低于 20Hz 的波称为次生波，而高于 20kHz 的波称为超声波，频率高于 Hz 的波称为特超声波 4。声波频率界限如图 1-1 所示。超声波检测中常910用的工作频率在 0.2520MHz 范围内。由于超声波具有的这些良好的品质，超声波的研究和应用已经渗入工业、农业、国防、医学以及航天和航空等领域并且取得了卓有成效的进展 5。甚至有人认为超声技术可以和电子技术、信息技术以及核技术相媲美，是一门具有广阔发展前景的高新技术。图 1-1 声波频率界限基于 ARM 的超声波测距模块开发11.2.2 超声检测误差来源本系统采用渡越时间法进行物位测量，通过不断检测超声波发射后遇到被测界面所反射回来的回波，从而测出发射和接收回波的时间差 t，然后求出待测物位到传感器的距离 L,在已知声速 v 的情况下，不难得出：L=0.5vt （1）下面对影响超声波距离测量精度的因素进行逐一分析。（1）声速从式(1)可以看出，必须知道声波在媒质中的传播速度 v，才能从传播时间求出待测距离，但是各种媒质有不同的声速。因此，在实际测量时，很难把声速看成一个不变的恒量。当媒质的成分、温度、压强等因素都没有很大的变化，而且测量精度要求又不很高的情况下，把声速当作不变的方法才能勉强满足测量要求，否则就应该进行声速校正。在多数情况下，温度是影响声速的一个重要因素，例如在空气中声速理论公式为：（2）42.3160.05.2TTvt式中 T 为摄氏温度，式（2）表明空气中声速是温度的函数，此时式(1)为m （3）t4.3160.5.2 ）（L不难看出，温度每变化 1，引起声速变化约千分之 1.8。这对测量结果影响较大。所以，应进行温度补偿。通常情况下，可在设备中安装温度敏感元件，采用适当的补偿电路，利用敏感元件的输出信号来对声速进行校正。（2）硬件响应时间硬件电路是有一定延时的。例如滤波电路一般在几十微秒左右。另外超声物距测量系统中广泛采用 ARM 来检测渡越时间，而 ARM 系统的延时，相对来讲也比较大。例如利用 ARM 的外部中断来检测回波触发信号。尽管它己经被设置为最高的中断优先级，并且不会被其他的中断所阻碍，但是中断响应是需要一定时间的。（3）触发时间一般来说，以接收信号的幅值超过我们规定的阈值时的时刻作为停止计时信号 6。当待测物位发生变化时，接收电路输出信2号的幅值就发生变化，距离近输出信号幅值较大，此时在回波信号的第二周幅值就有可能超过规定的阈值，进而发出停止计时信号，距离较远时，输出信号幅值较小，回波信号的第 3 周（甚至第 4 周)幅值才有可能超过规定的阈值，并发出停止计时信号。从理论上讲，停止计时信号应在图中的 a 点发出，由于阈值的存在，而实际停止信号是在下图中的 a 点之后的某一时刻发出。并且发出的时刻（时间检出点）是随物位的变化而变化，这种“时间检出点”的变化就产生了物位测量的误差。1.3 系统任务和要求1、测量范围： 015m2、测量精度： 1%3、使用温度范围： -10504、显示： 液晶显示5、电源： 内置电源，外置稳压电源 1224V6、抗干扰： 去噪声能力强(检波能力强)7、检测类型： 用 1 或 2 个超声头8、外部接口： RS232 接口1.4 系统方案设计超声波测距技术在工业生产和科学研究中得到广泛的应用。超声波测距电路多种多样，甚至已有专用超声波测距集成电路图 1-2 放大滤波后的回波信号基于 ARM 的超声波测距模块开发3 ，但是有的电路复杂，技术难度大，有的调试困难，专用集成电路的成本很高，操作很不方便。目前，国内的超声波测距专用集成电路的精度只能达到厘米级，可以满足一般工业测量的要求，但对于一些精度要求较高测距场合就不合适了。本测距系统是基于 ARM 开发的，抗干扰性强，利用超声波测距原理，结合 ARM 的数据处理，测量精度可以达到毫米级。串行通信、LCD 显示于一体。串行通信功能可以使系统和 PC 机进行通信；LCD 显示功能用于显示测量数据。本系统采用渡越时间法测量超声波，所谓渡越时间法可以表述为：设超声波发射传感器到目标障碍物的距离为 L，超声波在空气中的传播速度为 v，超声波从发射到接收传感器接收所经历的渡越时间为 t，则 L=vt/2。其中该系统中超声波的往返时间间隔由 ARM 通过外部中断定时获得，并将定时结果通过软件的算法算出最终距离，将最终结果通过 ARM 送液晶显示。再通过 RS232 串口通信，将测得数据送给上位机显示，实现对数据的实时监控。为了充分利用 ARM 中的资源，尽量降低测距系统的成本，系统采用 ARM 控制产生40kHz 的方波信号，驱动超声波传感器，为了增强测距范围，在发射部分增加信号功率发大电路，为了进一步提高发射信号的功率 ，从而提高测距范围。在对接收信号的处理，系统采用了电压跟随、放大、电压比较的方案，成本低廉，由于超声波在传播的过程中有很大程度的衰减，当到达超声波接收传感器的时候，信号已经此相当的小，因此必须对接受信号进行放大，放大后再送往电压比较器进行比较。通过比较检测出有用信号，送给 ARM 进行处理，从而实现对待测距离的测量，由于环境温度对超声波传播速度的影响比较大，所以需要采集环境温度，并对超声波传播速度进行修正。为了便于实时检测、控制，可以将测量到的数据每次距离变化时通过串口传送给上位机，上位机可对测量到的数据进行相应的数字信号处理。1.5 系统开发意义及应用超声波检测与控制技术是以超声波作为采集信息的手段，能在不损坏和不接触被测量对象的情况下探测对象。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，超声波测距是一种很有效的测量方法，有着广泛的应用。但目前的超声波测距系统存在着精度低，盲区大及测量数据不稳定等问题。针对上述缺点，作者 设计了独特、有效4的盲区消隐和接收信号处理方法，并进行温度补偿，从而提高了测量精度和灵活性；以 ARM 作为控制中心，研制了智能化、便携式超声波测量系统。该系统的各种技术指标均能达到工程应用的要求，具有很大的市场潜力。第二章 系统原理分析2.1 超声波检测系统分析2.1.1 超声波测距原理本系统以 ARM 为核心，由 ARM 控制定时发出方波信号，同时准备接收。发射机产生40KHz 左右的脉冲信号，经放大后驱动超声波传感器，方波信号经超声波传感器转换为超声信号向障碍物发射。超声波信号在介质中传播遇到待测物体表面时，由于不同介质的反射性能差异很大，对超声波的传播影响不同。其发射波被接收电路接收时，转变成电信号，该信号经相应地选频、检波、放大后，再进行信号判别，给 ARM 相应的触发信号，ARM 对接收数据进行处理，并参照发出控制脉冲的基准时间，得出超声波在介质中的传播时间。其基本检测实现方法如图 2-1 所示。其原理可用公式表示为。vtL212.1.2 温度补偿原理常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为 rRTvm/s，式中 为气体摩尔质量； r 为气体的比热比； R 为气体常数；T 为热力学温度。对2-1 智能测量模块系统图基于 ARM 的超声波测距模块开发5于一定的气体 r、 为定值。由公式可知：声速与热力学的平方根成正比。温度越高声速越大，温度越低声速越小。必须考虑温度对超声波的传播速度的影响，设 0 时声C速为 ，则 t 时声度为 ，则 m/s, m/s 。又 00vC0tvrR2730rRtvt)273(时，空气中声速的实验值为 331.42m/s，那么 t 空气中声速的表达式为：C0，式中 m/s，即： 。用 ARM 进smtvt /2731042.310v smtvt /27314.3行开方运算在程序上实现比较困难，为了便于 ARMC 语言编程，现用数学软件 Matlab编程实现对公式的简化，运用 Matlab 多项式拟合编程实现如下：t=0:0.01:100; %拟合的温度范围v0=331.42*(1+t/273).0.5; %声速与摄氏温度的理论公式v=polyfit(t,v0,3); %拟合出的声速与温度多项式fv=polyval(v,t);subplot(1,2,1)plot(t,v0,.,t,fv,-r);gtext(蓝色曲线为理论速度曲线);ylabel(速度 V0(m/s);xlabel(温度 t();subplot(1,2,2);plot(t,fv,-r);y=poly2sym(v);gtext(红色曲线为拟合速度曲线);ylabel(速度 V(m/s); 图 2-2 拟合曲线和理论曲线比较xlabel(温度 t();运行 Matlab 程序得出的拟合声速与摄氏温度曲线与理论上声速与摄氏温度曲线对比图 2-2。运行程序后，可得拟合声速与摄氏温度的关系：m/s。42.3160.05.2ttvt于是，通过传感器测的空气中的温度代入上述公式，即可得到超声波在空气中的6传播速度 ，再检测出超声波在空气中传播的时间 T，便可得到超声波在空气中传播的v距离： 。vtL212.2 超声波检测预备知识2.2.1 超声波的应用超声波传感器是利用超声波特性而研制成的传感器，超声波传感器技术已广泛用工业、国防、交通、生物医疗和家庭领域 。超声波技术的应用如下表所示。用途 备注 用途 备注海洋鱼群探测 深度测量声纳 水中摄影通信 定向通信工业金属材料及非金属材料的探伤测量金属与非金属的厚度超声振动切削加工（金属与非金属）超声波清洗零件 超声波焊接超声波流量计超声波料位及液位检测与控制超声波显微镜 温度计各种制造业板材、管材钟表业、精密仪表、轴承半导体器件生产化工、