超声波传感器应用系统毕业设计

超声波传感器应用系统设计摘要本文介绍了一款基于DSP的超声波测距系统，目的在于测量障碍物的距离。课题初步计划在室内静态测距，显示所测距离，当距离小于设定值时自动报警。已知超声波在空气中的传播速度，只要测得超声波往返的时间，就可以求出障碍物的距离。本系统以超声波传感器为基础，DSP芯片TMS320VC5402来控制完成数据采集、处理、显示和报警。首先由DSP控制发出超声波并开始计时。超声波遇到障碍物后反射，反射回来的衰减信号被超声波传感器接收。衰减信号被放大和A/D转换后输入到DSP芯片进行处理。这样就得到了超声波的传输时间，从而计算出障碍物的距离。软件部分则是通过CCS软件来完成的。实验后表明在障碍物距离较近时，所测距离精确度和重复性更高。该系统主要技术指标达到了设计要求。最后分析了误差原因，并提出了完善措施。关键词超声波传感器DSPTMS320VC5402测距ULTRASONICSENSORSYSTEMDESIGNABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESANULTRASONICRANGINGSYSTEMBASEDONDSPTHEPURPOSEISTOMEASURETHEDISTANCEOFTHEOBSTACLESPRELIMINARYPLANISININDOORLOCATIONANDDISPLAYTHEDISTANCEWHENTHEDISTANCEISLESSTHANTHESET,AUTOMATICALARMSTARTSWEKNOWTHEPROPAGATIONSPEEDOFULTRASONICASLONGASTHEULTRASONICFROMTIME,WECANWORKOUTTHEDISTANCEOFTHEOBSTACLESTHESYSTEMISBASEDONULTRASONICSENSORSANDDSPCHIPTMS320VC5402CONTROLTHEDATAACQUISITION,PROCESSING,DISPLAYANDALARMFIRSTOFALL,DSPCONTROLULTRASONICANDATIMINGSTARTSAFTERMEETINGOBSTACLES,ULTRASONICREFLECTSANDULTRASONICULTRASONICSENSORISRECEIVINGATTENUATIONSIGNALISAMPLIFIERANDA/DCONVERSION,ITISINPUTTOTHEDSPFORPROCESSINGTHISWILLGIVETHEULTRASONICTRANSMISSIONTIME,SOASTOCALCULATETHEDISTANCEOFTHEOBSTACLESSOFTWAREISDONEWITHSOFTWAREOFCCSTHEEXPERIMENTSHOWSTHATWHENOBSTACLESDISTANCEISCLOSE,THEPRECISIONANDREPEATABILITYOFDISTANCEAREHIGHERTHESYSTEMMAINLYTECHNICALINDEXESREACHTHEREQUIREMENTSFINALLY,IANALYZESTHEERRORCAUSESANDPUTSFORWARDMEASURESTOIMPROVEKEYWORDSULTRASONICSENSORDSPTMS320VC5402DISTANCEMEASUREMENT目录摘要IULTRASONICSENSORSYSTEMDESIGNII第1章前言111超声检测发展综述112超声传感器介绍2121超声传感器的原理及结构2122超声传感器的特性5第2章超声测距系统的总体方案721超声测距系统的总体思路722系统主要参数考虑8221传感器的指向角8222测距仪的工作频率8223声速9224发射脉冲宽度9225测量盲区1023发射电路的方案设计10231发射波形10232发射波形的数学模型11233发射电压1124接收放大器的方案设计1225检测单元的方案设计1326显示单元的方案设计16第3章硬件设计1831DSP最小系统设计18311电源电路18312复位电路19313时钟电路20314外扩存储器2132发射电路2233接收电路2334放大和滤波电路2335温度检测电路24第4章软件设计2541主程序2542超声波发射程序和接收中断程序26结论27致谢29参考文献30附录一PROTEL仿真PCB板33第1章前言11超声检测发展综述高速度、高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的UCT2超声波检测仪，重达24KG，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出CTS10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20HG。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT2，CTS10型仪器。1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10KG。七十年代，英国CNS公司推出仅有35KG重的PUNDIT便携式超声仪。1978年10月，中国建筑科学院研制出JC2型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5KG。同期研制出的超声检测仪器还有SC2型，CTS25型，SYC2型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平1。12超声传感器介绍121超声传感器的原理及结构超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有1压电传感器；2磁致伸缩传感器；3静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”2。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器3。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为F0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号4。图11双压电晶片示意图双压电晶片如图11所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。双压电晶片的等效电路如图12所示，C0静电电容，R为陶瓷材料介电损耗并联电阻CM和LM为机械共振回路的电容和电感，RM为损耗串联电阻5。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率F0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。图12双压电晶片等效电路超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。122超声传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的SZWS4012M发射型超声波传感器为例进行说明5。一频率特性图13超声发射传感器频率特性图13是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中，F040KHZ为超声发射传感器的中心频率，在F0处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在F0处所产生的超声声压能级最高。而在F0两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率F0的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在F0处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在F0处接收度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。二指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。图14是电路中选用得发射传感器的指向图6。图14超声发射传感器指向图超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为4080，课题中超声发射传感器的指向角为75。第2章超声测距系统的总体方案该超声测距系统的应用背景是基于DSP的超声信号检测中的先期部分。因此初步计划是在室内小范围的测距，限定在4米之内。本章将给出系统的总体思路和主要参数。21超声测距系统的总体思路系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的，系统结构如图21所示。图21超声波测距系统原理框图DSP芯片TMS320VC5402控制整个系统的运行。超声波发射电路采用典型的555定时器信号发生电路,555定时器端口4由TMS320LF2407的IOSTRB控制触发,发射出40KHZ的方波,脉冲宽度取值为120S。发送时间值的设定依据最大测距范围来设定。超声波经过固体表面或者液面反射,由超声波传感器接收到已经衰减了的信号后,首先对接收到的信号进行放大,放大后的信号通过A/D转换器输入到DSP芯片进行处理。启动超声波测距系统进行测距时，首先由DSP发出40KHZ的脉冲串，脉冲通过脉冲调制电路和信号放大电路发出超声波。DSP在发送脉冲的同时开始计时，超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的信号的经过前置放大滤波，检波整形后处理后产生中断信号中断DSP的计时，这样得到了超声波的传输时间，然后在中断服务程序中根据测出的时间计算出距离并将标志位置1。中断返回后再发送下一串脉冲，如此反复。因为本系统测距精度要求很高，误差22式中，K1为传感器的电声转换系数；W0为传感器的谐振频率；Q为传感器的品质因数。233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机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失；另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为20VPP，取发射电压为15VPP。24接收放大器的方案设计接收预放大单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利检测单元的正确检测20。在传感器接收到的信号中，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。室内环境中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声决定，其功率谱宽度远大于接收机的通频带。我们可以近似的将其作为白噪声处理，根据已有知识，输入为已知信号加白噪声的条件下，匹配滤波器的输出信噪比最大。匹配滤波器具有以下特点1输出最大信噪比与信号波形无关2匹配滤波器对信号的幅度和时延具有适应性，即对只有幅度和出现时间不同的信号，它们的匹配滤波器是相同的。3匹配滤波器与相关接收和相关器具有等效性。实际上很难得到精确的匹配滤波器，由于单个射频脉冲的频谱是连续的，用普通的窄带滤波器就能把其主峰部分W附近滤波出来，适当的选择滤波器的通带宽度就能取得与匹配滤波器相差不多的效果21。室内反射的回波信号可以看作是随机相位即幅度信号，这种随机性是因为发射信号的起振相位，介质中的反射特性和传播衰落等随机因素引起的，因此统计检验的假设为11H0XTNTH1XTASINWTNT其中幅度A和相位都是随机参量，它们在观测时间0,T内是常数，在不同的观测时间内随机的取值。假定相位及幅度A的先验概率密度分别为均匀分布及瑞利分布22这正好等于M，由于前面已提到匹配滤波器对信号的延迟时间和幅度具有适应性，等效为对只有初相和幅度A不同的信号，其匹配滤波器形式是相同的。由上面的推导可知，最佳接收机的组成是信号匹配滤波器后接包络检波器。同时可以由式可知对任何A值，若M最大，则似然比最大，即使幅度的先验概率分布未知，也可确信检验统计量M是最佳的。图23信号放大器原理图接收放大器的作用是放大有用信号，并抑止其它噪声与干扰，从而达到最大的信噪比，以利于检测电路的正确检测23。放大器组成框图如图23，采用三级放大电路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使输入信号功率最大。带通放大器选择最佳时间带宽积，以达到匹配滤波的效果24。模拟开关起收发隔离的作用。在测量近距离时，模拟开关闭合，发射信号可以进入接收通道；测量远距离时，模拟开关断开，发射信号不可以进入接收通道。程控放大器分为2档，分别放大10倍和100倍，由控制端A1，A0控制。25检测单元的方案设计接收信号放大到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，就是整个电路中一个关键的地方，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。以零点平作为比较电平是行不通的，因为放大后的信号中含有一定幅值的噪声，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，这样做虽然可以消除一般噪声的影响，但由于比较电平固定，当信号的幅值发生变化时，这一固定电平所对应的门限就无法将有用信号鉴别出来。为保证一定的正确检测概率，在课题中采用双门限检测的方法。可以由以下两种检测方案实现251模拟检测前面已经讨论了最佳接收的结构，因而采用包络检波加上双门限比较检测。由于传感器的余振影响，实际实现时不能采用固定门限进行比较，而采用检测噪声作为滑动电平门限的时间检测方法。如图24，检测单元采用包络检波器加上双门限比较检测。由于传感器余振的影响，故不能采用固定门限进行比较，而采用滑动门限检测方法26。图24检测单元方案图接收器输出波形如图25中UT所示，T0至T1为仪器检测盲区，T1至T3为可测范围。T2至T3间无拖尾，只存在电路噪声，是时间检测最佳区间。距离较近时，回波会落在T1至T2内。若以T1时刻拖尾幅度为门限电平，则远处的回波信号会被漏检；若以噪声电平为门限电平，则拖尾会被认为是回波信号而被检出。解决这一问题的最好方法是产生一随时间变化的滑动门限，使之在T1至T3的全部时间范围内均适用。图25滑动门限检测单元波形图图25中FE为起始脉冲，FE为高时，传感器发射超声波，在接收开始时，发射拖尾可能还没有结束，如果选择一固定门限，则拖尾有可能被当作回波检测出来；如果把拖尾等噪声作为门限，则远距离的回波幅度就有可能低于门限，造成漏检。因而要采用滑动门限。VT即为滑动门限，信号SAMPLE在T0至T1时间窗内对噪声采样，形成VT的初值，然后使其按拖尾的规律下降，当低于门限VN时就不在下降，变成完全由噪声决定的固定门限。另外，由于脉冲干扰由于频谱较宽，在进入一定通频带的接收机后被放大，频谱被展宽，第二门限设计成脉宽比较电路。只有超过第一门限的信号达到一定宽度时才判为回波信号。2数字检测数字相关检测一般需要很大的存储量和繁杂的运算，但在要求不是很高的场合，为简化设备，常用符号相关检测。由于目标回波可理解称为发射信号经过传输信道得到，因而二者有一定的相关性，将经预防大后的信号与发射信号进行符号相关处理，当超过门限时判为信号27。检测过程首先将每次扫描预放大的输出与一定的门限电平比较，超过VG的不论其幅度大小都记为“1”，低于门限VG的不论其幅度大小都记为“0”。在VG，VG之间的则保持不变，这就使待检测的信号变为“0/1”信号，且幅度低于门限VG的噪声变为全“1”或全“0”信号；然后经过整形将其送入四位移位寄存器，寄存器的偶数位和奇数位分别异或相加。时钟CK为发射信号频率的四倍，若送入信号的频率与发射信号的频率接近，在没有相位“模糊”的情况下，它们的输出都应该为“1”。这一部分的作用是消除相位“模糊”。假定时钟CK是发射信号频率的两倍，若回波信号频率与发射信号相近，则在回波信号的一个周期内可采到两个点A和C，如果A点恰好在信号的跳变沿，则判“0”或判“1”是随机的，称为相位“模糊”。又由于频率相近，造成一连串的相位“模糊”信号，从而引起漏检。时钟CK与发射信号频率相同也是一样。时钟CK为发射信号频率的四倍时，则在一个周期内可采到四个点A，B，C，D，不论何种情况，回波信号到来时两路总有一路输出“1”，后面是门限判决，当输出“1”的个数在一段时间内达到一定门限后判为回波，门限的大小选择与检测的频带宽度和抵抗噪声的能力有关。为达到好的检测效果，检测时间需加长，因而发射周期也需加长，从而使测深“死区”增加，特别在近距离测量时，余波干扰与回波相连，影响测量精度。检测电路较模拟检测复杂，另外从原理上讲两者效果差不多，因而检测方案采用模拟检测28。26显示单元的方案设计LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的液晶显示模块。模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。LCD1602液晶显示屏分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。1602液晶显示屏采用标准的16脚接口，其中各接口的功能如下表（26）所示表26LCD1602的16管脚功能引脚号引脚名电平输入/输出引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极5V3VL液晶显示偏压信号4RS0/1输入数据/命令选择端，0输入指令，1输入数据5R/W0/1输入读/写选择端，0向LCD写入指令或数据，1从LCD读取信息6E10输入使能信号，1时读取信息，10下降沿执行指令7D00/1输入/输出数据总线最低位8D10/1输入/输出数据总线9D20/1输入/输出数据总线10D30/1输入/输出数据总线11D40/1输入/输出数据总线12D50/1输入/输出数据总线13D60/1输入/输出数据总线14D70/1输入/输出数据总线最高位15BLAVCCLCD背光电源正极16BLK接地LCD背光电源负极第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会使屏幕显示不清晰，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为数据/命令选择端，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写选择端，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第15脚背光源正极。第16脚背光源负极第3章硬件设计超声波测距系统硬件部分主要包括DSP及辅助电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、温度检测电路。31DSP最小系统设计311电源电路电源电路在电路系统中是十分重要的，它为各种仪器设备的工作提供各类所需的工作电压，是仪器正常工作的前提。因本文采用的TMS320VC5402是在低电压工作，其1/0引脚电压为33V，内核电压为18V。而常用的直流电压一般为SV或更高，只有采用电压转换芯片将高电压转换成33V和18V，TMS320VC540使用。在双电源的DSP设计时，可以采用TI公司的双路低压差电源TPS73HD301。它通过SV单电源给内部的两个电源调节器供电，在输出端输出12975V的可调电压和固定电压33V这两种。其由于C5402的内核电压为18V，因此需要将可调电压部分接上适当的分压电路，得到最终的18V的内核需要电压。在其变电压调节器的的反馈管脚的参考电压输出为VREF1182V。电源模块的具体实现如图31。因为本设计的调制电路为内调制电路，所以调制输出会与电源的稳定性有一定的关系，这就要求电压稳定输出，否则对电路的消光比产生影响，最好使用净化电源。实际应用证明，该电源设计结构简一单、体积小、输出电压恒定可靠、功耗低等特性在无电流报警时，功耗小于15W。测量时电池可用次数为10000次以上AA型电池为15V。图31电源电路312复位电路TMS32OVC5402的复位输入引脚RS可以在任一时刻对其进行复位，它是处理器硬件初始化的一种方法，是不可屏蔽的外部中断。当系统上电后，为了确保数据、地址和控制线的正确配置，RS引脚需保持5个时钟周期以上稳定的低电平。当系统受到外界干扰时，电源波动容易出现死机现象。因此，在设计实用的硬件复位电路时应考虑操作方便、工作可靠等因素。下面介绍几种复位电路。1上电复位它利用RC电路的延迟来产生低电平时间，从而实现复位。由施密特触发器和RC电路组成。2手动复位手动复位可通过_匕电或按钮方式对芯片进行复位，其电路参数与上电复位电路相同。闭合按钮时，电容C通过RL进行放电电压降为0断开按钮时，利用RC电路的延迟来产生低电平时间，从而实现手动复位。3自动复位本文采用专用的自动复位集成电路，由555定时器和计数器组成。由于在DSP系统护需要较高频率的时钟信号，这样在运行中极容易发生干扰现象甚至会造成死机现象。可以在规定的时间内给监视系统提供一个高低变化的电平信号，若这个信号不发生变化，且系统运行不正常，自动复位电路便可对系统进行复位处理。MAX706R就是一种能与具有33V工作电压的DSP芯片相匹配的自动复位电跻。当DSP工作不正常时，CLK会消失，即自动复位电路无法接收到监视信号。这时通过引脚7产生复位信号使系统复位并恢夔正常工作状态。313时钟电路TMS320VC5402芯片的时钟电路有两种外部时钟源和芯片内部的振荡器。图32时钟电路1外部时钟源它是将外部时钟信号直接加到DSP芯片的XZ/CLKIN引脚上，把XL引脚悬空。外部时钟源采用频率稳定的晶体振荡器，由于这种方法简单、价格便宜而且使用方便，一般系统设计都采用这种方案。晶振一般采用20M。2芯片内部的振荡器内部振荡器利用芯片内部的振荡器电路与XL、X2/CLK引脚之间连接的一个晶体和两个电容组成并联谐振电路，其对时钟频率具有微调作用。利用PLL对时钟频率进行锁定，使时钟信号的频率稳定。也可对外部时钟频率进行倍频，使CPU的机器周期高于外部时钟源的频率，由此来降低由于高速开关时钟引起的高频噪声。电容的大小一般在030PF之间。3时钟电路选择原则在本测距仪的设计中是为TMS320VC5402芯片提供时钟信号。内部的锁相环PLL电路，使其工作时钟频率为外部参考时钟的02515倍，通过芯片内部的晶体振荡器或外部的时钟电路来驱动。系统中要求多个有不同频率的时钟信号，只需要将晶振的输出与X2/CLKIN引脚相连接，而XL引脚不接任何器件和电压。314外扩存储器图33IS61LV6414存储器如图33，IS61LV6414是一款高速存储器，本系统将其连接到TMS320VC5402上作为外部程序存储器，供DSP上电时启动载入程序使用。32发射电路信号发射电路如图34所示，该电路由调制信号产生电路和信号放大电路组成，主要用来为超声波传感器提供发送信号。在超声波发射信号时，由555定时器产生激励信号源，DSP信号处理器控制555定时器脉冲信号产生，使555定时器工作时产生调制脉冲信号的频率为40KHZ，周期为30MS。由两个与非门组成的隔离电路主要功能是对输出级与脉冲产生电路进行隔离。输出级由两个集成运TL084CN组成，由于超声波的发射距离与其两端所加的电压成正比，因此要求电路需要有足够大的驱动电压，所以在超声传感器两端可以得到两个极性完全相反的对称电压波形，即VBVA，故此加在超声波传感器两端的电压VVAVB2VA，其两端的电压大小可达到24V，从而保证超声波能够发送很远的距离，提高了测量的量程。图34发射电路33接收电路图35接收前置及带通放大电路超声波检测接收电路原理图如图35所示，超声波接收电路由集成电路CX20106A组成，该芯片是一款红外线检波接收的专用芯片，通常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控的载波频率38KHZ与测距超声波频率40KHZ比较接近，因此可以利用它作为超声波检测电路。实践证明该接收电路具有较高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C4的大小，可改变接受电路的灵敏度和提高其抗干扰能力。34放大和滤波电路放大电路和带通滤波电路如图36所示。由于超声波信号在空气中传播时会产生很大的衰减，故反射回去的超声波信号十分的微弱，不能直接送到后级电路进行信号处理，必须放大信号电压的幅度，才能使后级电路对其进行正确的处理。前置放大电路是由自举式同相交流放大电路集成运放组成的，具有较高的输入阻抗。此处电容作为隔直电容，电阻为偏置电阻，用来稳定放大器的静态工作点。带通滤波器采用的是二阶RC有源滤波器，可以用来消除超声波传播过程中所受干扰信号的影响。图36放大电路与带通滤波电路35温度检测电路温度检测电路采用数字温度传感器DS18820对环境温度进行检测，它具有结构小巧、操作简便且功耗小的优点，被广泛用在各种温度测量的场合。从而对超声波的传播速度进行温度补偿，提高测量的精度。两个按键作用是用于控制测量的开始与停止以及距离与温度显示的切换。因此本电路多加上了温度补偿环节。第4章软件设计超声波测距电路的软件程序主要由主程序、超声波发射程序、超声波接收程序及显示程序组成。C语言可以实现较复杂的算法，汇编语言具高效率且易精确计算程序运行时间，而超声波测距程序既要求有复杂的计算又要有精确计算程序运行时间，所以在超声波测距时控制程序可以采用C语言和汇编语言两种语言结合的混合编程形式。41主程序图41主程序流程图主程序的流程图如图41所示，主程序首先是对系统初始化，设定时器T0工作模式为16位工作模式，并显示端口清零。然后调用超声波发射程序送出一个超声波脉冲信号，为了避免超声波在发射和接收引起直射触发形式，故此要设定一延时时间，该延时时间约为01MS随后才可以打开外中断0，接收返回的超声波信号。由于晶体管的晶振频率为12MHZ，因此计数器每计一个数时间就是1S，当主程序检测到接收成功的标志信号后，对计数器T0中的数即超声波往返所用的时间按式7计算，便可得到被测物体与测距器之间的距离。设计时取20时的超声波速度344M/S，则有HVT/2172T/1000CM0CM41将测出距离后结果以十进制BCD码方式送往液晶器显示时间约05S，然后再发超声波脉冲重复测量过程。42超声波发射程序和接收中断程序超声波发射程序的作用是通过发送端口发送两个左右的超声波脉冲信号信号频率40KHZ的，脉冲宽度为12S左右的方波信号，同时把计数器T0打开进行时。超声波测距器主程序利用外部中断0检测返回超声波信号，一接收到返回超声波信号，立即进入超声波接收中断程序系统。进入该中断后，关闭计时器T0，停止计时，并将测距成功标志字赋值为1。当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号的情况下，则定时器T0溢出中断并关闭外中断0，并赋值标志字为2，表示本次测距不成功。结论实验结果实验中选用被测物体为硬厚纸板，不同时刻在同一点位置测3个值，加上误差补偿之后，得到如下结果（单位为CM）表51实验数据从表51的数据可以看出，所做的实验是成功的，数据比较稳定，具有一定的可重复性。由于本系统采用了新型振动模式超声波探头、抗干扰电路、DSP系统以及合理软件算法，使得本系统与其他仪器比较，具有一系列突出优点1采用了国产的超声波空气传感器作探头，体积小，灵敏度高，安装简单，使用方便，转换效率也比较高。2发射探头的频率信号来自单片机系统，准确，稳定，可靠，而且可以随时通过软件改变频率，以驱动相应发射探头。3接收到的超声波信号转换成电信号后，通过三级放大，放大过程中，噪音干扰得到抑制，防止误动作，提高了可靠性。4采用了DSP，使系统体积小，重量轻，加强了灵活性和可靠性，修改、调试、定标都方便。5系统软件中采用合理算法，提高了精度。6采用非接触式测量方式，不影响被测表面，对液体，固体等比较光滑的表面均可测量，应用范围广。误差分析从表51的数据可以看出，所做的实验尚有不完全吻合之处，主要有以下几个原因1每次测量时，探头的位置，方向有微小变动。而且环境条件不同也会得到不同的结果。2盲区的出现是因为发射信号必须有一个上升时间，当距离太近时计算机系统已不能处理迅速返回的反射波信号，所以距离小于020米时测量误差明显增加。远距离时，回波信号微弱，混有大量的噪声，对门限判定造成很大干扰，易产生误判。3由于反射物而引起的偶然误差，这可能是测量中最大的误差源。发射探头发出的超声波并非直线传播，而是呈喇叭状扩散传播的。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于两探头的轴线，所以反射回来的波也许是从A点获得，也许是从B点获得，测得的结果必然不相同。通过实验，笔者认为本系统仍有一些需改善的方面1由于探头限制，在高温、高压等恶劣环境下，测量误差大，可以根据实际情况更换更合适的探头。测量距离与发射功率直接相关，由于探头功率有限，只能在室内小范围测量。更换成大功率探头，测距范围将扩大。2温度对声波速度的影响。3超声波在传播过程中首空气热对流扰动以及尘埃吸收的影响，接收回波的幅值随传播距离的增加成指数规律衰减，使得远距离回波难以检测。同时其他误差源，比如电阻电容的热噪声，电路延迟引起的渡越时间检测误差。改进方法是改善被测表面条件，和提高探头功率。4系统动态性能不够高，被测表面移动速度很小时，可以实现跟踪测量；移动速度过大，误差变大。量化误差，我们取的计时脉冲周期为267S，取25C时的声速，得出量化误差为053400002674539MM，满足检测要求。5直达波的影响。有一部分声波从发射探头直接传到接收探头，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。通过一年来的科研工作，本人理论及实践能力进一步提高。对于本文中存在的缺憾和错误，望批评指正。致谢参考文献1邱平略论我国非金属超声波检测仪器的发展状况工程质量，1998年01期2RECOMMENDATIONSONINTERNATIONALHAMONIGATIONTRAINING,QUALIFICATION,ANDCERTIFICATIONOFNONDESTRUCTIVETESTINGPERSONNEL1985,JNTERNATIONALCOMMITTEEONNONDESTRUCTIVETESTING,ZOETERMEER,NETHERLANDS3超声波探伤编写组编著超声波探伤北京电力工业出版社，1980年4王纯正超声学北京人民卫生出版社，1993年5戴树荪数字技术在雷达中的应用北京国防工业出版社，1981年6BROWNAJWAVESHAPEDISTORTIONINLOGRECEIVERCIRCUITDESIGNENGINEERING19867中国无损检测学会编译超声波探伤北京机械工业出版社，1987年8电子工程手册编委会国内外小功率晶体管实用手册北京电子工业出版社，1993年9JACKBLITGANDGEOFFSIMPSONULTRASONICMETHODSOFNONDESTRUCTIVETESTINGCHAPMANHALL,199610同济大学声学研究室超声工业测量技术上海上海人民出版社，1977年11李鸣华，余水宝单片机在超声波料位测量中的应用电子技术应用，1998年第9期12阎福旺，凌青，孪经德现代声纳技术北京海洋出版社，1998年13HC908GP32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