（通信与信息系统专业论文）基于超声波定位的车辆路径显示系统的研究与实现.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 如今，在驾驶员资格考试中，为了提高效率，减少工作量，越来越多的考试 场使用了电子辅助监测系统。与目前普遍使用的红外探测装置不同，本论文首次 提出将超声波定位应用于车辆路径的还原，设计并实现了一套运动车辆路径还原 系统。该系统通过超声波脉冲信号的收发，根据三点定位的方法，能够对场地内 被测车辆进行定位并在计算机终端上通过插点还原其实际的行驶轨迹，从而使测 试结果更加直观、明确。 本文首先对系统的整体结构进行了阐述，接着分别详细介绍了系统的硬件 部分和软件部分的设计思想和具体实现。 信号收发由单片机控制。由于需要知晓接收时刻的先后，对三路接收信号 使用一块单片机处理，保证了三路信号时间基准的一致性，通过d 触发器的锁存， 可使三路信号依次被处理而不会丢失。通过将中断处理与数据发送分开进行，缩 短了中断处理时间，增强了系统的实时性。 系统工作时只需在中断中获得超声波接收时刻并通过串口发送到上位机即 可求解定位方程组，确定被测物体的坐标。定位算法基于平面两点间距离公式， 定位方程组通过处理可简化为一元二次方程，求解过程迅速，计算量小，因此， 系统的设计和实现得到了很大的简化。各部分经过反复地测试和修改，取得了较 好的定位结果。 文章的最后总结了整个系统的性能和特点，提出了值得进一步研究和优化 的地方，并展望了其应用前景。 关键词：超声波定位，路径还原，单片机，中断处理，串口发送，上位机 i v 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i n0 r d e rt oi l p m v et 1 1 ee m c i e n c y ，m o r ea n dm o r et e s tf i e l d su s e 吐l e e l e c 仃o n i ca s s i s t a l l ti i lt h et e s to fd r i v e rq u a l 湎c a t i o n d i 虢r e n t 、v i m 血ei n f b r r e d e q u i p m e n tw i d e l yu s e da tt 1 1 ep r e s e md a y m eu l 仃a s o l l i cl o c a t i o ni sa p p l i e dt ot 1 1 e v c h j c l et r a c ed i s p l a yt h ef i r s tt i m ei t lm i sp 印e ra 1 1 das e to fv e l l i c l et r a c ed i s p l a y s y s t e mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d a c c o r d i n gt ot l l e 也e o r yo ft r i p l e - p o i ml o c a t i o n ，m e s y s t e mc a nl o c a t em ev e l l i c l ei nm ef i e l db yt h e 仃趴s m i s s i o na n dr e c e i v eo ft h e u l t r a s o n i cp u l s es i g n a la 1 1 dd i s p l a yi t st r a c eo nt h es c r e e n ，w m c hm a k e sm et c s tr c s u l t m o r ei n t u i t i o n i s t i ca n dc l e a r l y 1 1 1 es t n l c t i l r eo fm es y s t e mi si n t r o d u c e df i r s ti nt h ep a p e l1 1 1 e nm ed e s i g n 趾d r e a l i z eo f m eh a r i i w a r ea 1 1 ds o f h a r ea f ei 1 1 u s t r a t e di nd e t a i l t h em c uc o n 打o l st 1 1 es i 印a lt r a n s m i s s i o na i l dr c c e i v c b e c a u s ei ti si m p o n a n tt o k n o wm es e q u e n c eo fm er e c e i v e ds i g n a l s ，也e ya r ec o n t m l l e d b yt 1 1 es 啪em c ua n d t h c r e b yt h ec o n s i s t e n c eo fm et m l eb e n c h m a r ki sg l l a r 髓t e e d b yu s m gt l l ed - t r i g g e r ， t h r e es i g l l a l s 、v i l ln o tl o s ea i l dc a nb eh a n d l e do n eb yo n e b e c a u s eo f t h es e p 盯a t i o no f 山ei n t e m 叩t i o nh a l l d l ea n dd a t at r a i l s m i s s i o n ，血et i l n eo ft l l ei n t e r m p t i o nh a l l d l ei s r e d u c e d ，t h u s 血er e a l _ t i m ep r o p e r t yi si m p r o v e d t h es y s t e m0 1 1 1 yn e e d st oa c q l l i r ct 1 1 et i m ew h e n 也eu l 扛a s o i l i cs i 印a 1i sr c c e i v e d a i l dt r a n s m i ti tt om ec o m p u t e rt l l r o u g h 也es e r i a lp o r tt ow o r ko u tt l l el o c a t i o n e q l l a t i o n s ，t h ea l g o r i t l l mi sb a s e do nt h ed i s t a n c ef o r n l u l ao f t w op o i n t so n t 1 1 ep l a n e ， 趾d 血el o c a t i o ne q l l a t i o n sc a l lb es i i n p l i f i e dt oal i n e a rq u a d r a 廿ce q u a t i o ns ot h a tt h e s 0 1 v i i 唱p r o g r e s si sr 印i d a sar e s u l to ft l l ea b o v ec h a r a c 州s t i c ，血eh a r d w a r ea n d s o f 撕a r ed e s i 印a r cg r e a t l ys i m p l i f i e d e v e r yp a nh a sb e e nt e s t e da n d 锄e n d e dm a n y t i m e sa n dt h el o c a t i o nr e s u l ti ss a t i s 矗e d h 1t l l ee n d ，也ec o n c l u s i o ni sm a d ea n dt l l ef u n u r e 印p l i c a t i o ni sp r o s p e c t e d k e yw o r d s ：u l t r a s o l l i cl o c a t i o n ，t r a c ed i s p la y ，m c u ，n e m l p 廿o nh a i l d l e ，s e r i a l p o n 协m s m i s s i o i l ，c o n 订o lc o m p u t c r v 华东师范大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：一 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：立才： 日期： 弦酩3 ， 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 随着城市生活水平的不断提高，拥有一部私家车对很多家庭来说已不再是 什么梦想。为了能够取得驾车资格，越来越多的人报名参加驾驶员培训以获取 驾驶执照。相应地，为了提高学员的驾驶水平，防止交通事故的发生，现在的 驾驶培训点对于这些准驾驶员的技能考核有着较高的要求。在场地考试时，对 车辆的行进路线都做了严格的规定，通过考官的现场检验来判定通过与否。为 了更加准确地考察出考生的驾驶水平，一些电子辅助手段被引入来帮助考官监 测驾驶员的实际操作水平。这种考察方式比较客观，若考生的车辆偏离了要求 的路线，自动监测装置就会报警提示，而以往的考察方式是考官随着考生一同 上路考试，根据现场情况和经验来判断，往往带有一定的主观因素。因此，越 来越多的驾驶员考试都采用了这些电子辅助手段。 现今大多数的考试场使用的是红外线装置【2 6 j 。若车辆遮住了红外线光束的 传播则监测装置就报警，以此来判断车辆的行进是否符合要求，同时根据报警 的红外线装置所处的位置来确定出错的位置。但由于红外线是电磁波，以光速 运行，在尺度只有几十米的场地中运行时间极短，数据处理相当困难，因此无 法用于场地定位。 与之相对应，还可以利用另一年申传感器技术超声波传感器来进行定位 和监测。由于超声波功率大，在空气中沿直线传播，速率不太高，并且超声波 传感器具有性价比高、采集信息速率快、距离分辨率高、硬件实现简单等优点， 同时超声波传感器不易受如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面粗糙度等 条件的影响l ，2 4 】，因此被广泛应用于探伤、测厚、测距及场地定位，利用超声 波定位的的系统市场应用前景相当广阔，目前已经见诸报道的应用有手写输入 及笔迹再现，自动导引车辆( a g v ) 等【1 一。 鉴于超声波的以上优点及广泛应用，本论文设计开发了另一种辅助装置， 它以超声波作为探测媒介，通过超声波的发射接收实现三点定位，并将这些点 记录并相连，实时还原车辆的实际行驶路径，再与要求的路线相比较即可判断 考生是否通过了该次溅试以及不足之处的所在。这样可使考试过程快速连贯， 并且结果直观，一目了然，还可大大减少监考人员的数量和工作量，只需一人 在终端观察即可。甚至可将考试结果记录下来，通过软件实现自动评测，从而 更好地提高工作效率。通过检索目前国内尚未有厂家进行该系统的设计与开发。 华东师范大学硕士学位论文 同时，该系统也可扩展用于对某些危险环境中监控人员不能进入的场地内运动 目标的监测以及某些智能机器人运动的定位等。 1 2 论文的主要内容 本论文论述了一种基于单片机控制的超声波自动定位及路径还原系统的工 作原理与实现过程。该系统主要包括超声波发射模块、超声波接收模块、单片 机控制模块以及上位机运算和绘图部分。主要硬件包括超声波探头、发射调制 电路、接收放大电路、单片机控制电路、测温电路、2 3 2 串口通信器件和上位 机。再运用c 和汇编语言实现对单片机的控制以及s u a lc + + 实现定位算法并 完成路径绘制。 论文的具体结构和内容安排如下： 第一章绪论部分主要介绍了本论文的研究背景、意义、主要内容以及所采 用的创新之处。 第二章系统概述及超声波特性部分介绍了整个系统的总体设计，包括定位 算法和系统的实际工作环境以及超声波的特点和传感器工作原理、超声波定位 系统的特点和工作方式。 第三章具体阐述了系统各模块的硬件设计，主要包括发射和接收电路的选 用、单片机控制电路方案的比较、测温电路以及串口通信实现单片机与上位机 的联系。在通过对实际电路的调试和观察的基础上分析和描述了它们的工作状 态和性能以及一些问题的发现和解决办法。 第四章系统软件设计部分主要分为单片机软件设计和上位机软件设计，前 者包括超声波的发射和接收控制、中断处理程序和测温通信程序，后者介绍了 串口通信的实现、定位算法方程的求解和运动轨迹的描绘，其中包括对s u a l c + + 中专门处理串口通信事务的控件m s c o m m 控件的简单介绍。 第五章总结和展望部分对该超声波定位系统进行了总结，概括了系统设计 思想、性能和工作特点，分析了其存在的不足，提出了一些针对性的解决思路 和设想，并展望了其应用前景。 1 3 论文的特色和创新之处 1 目前基于超声波定位的各种应用有很多，如声位笔、智能机器人避障 等，与这些应用不同，本论文首次提出将超声波定位应用于场地内运动车辆的 路径还原，并设计和实现了这样一套系统。该系统主要用于驾驶考试时对被测 第一章绪论 车辆路径进行跟踪和再现，由于当前汽车驾驶考场的数量非常多，且对自动化 测试监控系统的需求也很强烈，因此系统的市场应用前景相当广阔。同时，它 也可以应用于诸如化工厂中某些人员难以进入的场地，来监控场地内目标的运 动等。系统的样机曾参加2 0 0 5 年1 1 月在上海举行的第七届工业国际博览会， 咨询者众多。 2 定位算法简单巧妙易实现。采用三点定位的方式，三个接收装置位置 固定，坐标已知，发射装置置于运动物体上，只需记录三个接收装置收到信号 的时刻，就可以计算出超声波发生器的具体位置，也就是被定位目标的位置。 由于只需要记录信号的接收时刻，因此软硬件设计都得到了简化。方程组形式 一个三元二次方程组，经过降次消元可简化为求解一个一元二次方程，避免了 繁杂的迭代运算，计算量小，也简化了相应的处理软件设计。 3 单片机在中断中读取的是三个接收器收到超声波信号的时刻( 表现为 单片机计数器中的计数值) ，三路信号的接收时刻必须有共同的时间基准，而发 射时刻是未知的，因此使用一块单片机来处理三路接收信号，三路信号的接收 时刻使用同一个计数器的计数值，解决了时间基准的同步问题。通过使用d 触 发器锁存中断信号，解决了多中断处理问题，不会发生中断丢失的情况。 4 系统实现了对较大范围内的目标定位，定位距离达到了1 5 米，定位误 差小于1 0 厘米，并且通过对收发电路进行优化，定位范围还可进一步增加，而 目前相关报道中的一些应用中探测距离一般都不超过1 0 米，只能在较小的场地 范围内进行工作。 第二章系统概述及超声波特性 第二章超声波定位系统概述及超声波特性 2 1 系统结构设计及定位算法简介 基于系统的设计要求，整个系统由超声波发射、超声波接收、多路信号处 理、温度测量、数据传送和计算机处理六部分组成【埔】。系统结构框图如下： 超声波发射超声波接收信号处理 数据传送 图2 1 系统结构框图 f i g u r e2 1 f r 锄eo fs y s t e ms t m c t u r e 发射脉冲信号由单片机产生，经放大后加载于超声波探头，超声波信号全向 发射，被三路接收器所接收，接收部分收到信号后经放大、整形和锁存后触发单 片机外部中断，单片机进入中断服务程序读取计数器计数值，再通过r s 2 3 2 串 口将这些数据和测温电路测得的环境温度值一并发送给上位机处理【1 ，硝，上位机 根据这些数据求解定位方程组，求得物体实时坐标后以描点的方法绘制出物体的 运动轨迹。系统样机包括一个发射机、三个接收机和一个控制器。 图2 2 所示为系统实际工作环境示意图，在被测车辆上放置超声波发射装置， 场地周围放置三个接收设备，接收器与控制器之间以双绞线相连接，控制器中单 片机通过查询管脚状态来分辨接收信号来自于哪一个接收器。上位机与单片机通 过串口线实现通信。 4 华东师范大学硕士学位论文 圈2 2 系统工作环境示意图 f i g u r e2 2 e n v i r o n m e n to f s y g t e m 、v o r k i i l g 图2 - 3 显示了实验室测试环境中的系统工作状态，近处为发射器，远处三个 为接收装置，置于地上的是控制器，与计算机相连。 图2 3 系统实验室测试环境 f i g u r e2 3 t e s 廿n ge n v i 1 i n e n to fs y s t e mi nl a b 上位机在获取计数器数值后根据三角几何运算以求得车辆坐标并描绘车辆 第二章系统概述爱超声波特性 j 三二：夏二二薹! ：芝二三薹 l ( x 3 一x o ) 2 + ( y 3 一y o ) 2 = v ( t 3 一t o ) 2 式中x 。、y i 为接收装置的坐标，根据接收器实际所处的位置事先测量获得。t i 为 接收装置分别接收到信号的时刻，也就是单片机所发送的计数器中的计数值，v 为超声波速，若环境温度变化不大，可认为保持不变。若精确度要求较高，则通 过测温电路测得环境温度后换算出对应的波速。未知数中t o 为发射超声波的时 刻，可通过方程求解后反演得到，在本算法中可用于判断求解出的两组坐标值的 取舍。孙y o 即为待求坐标【。 2 2 超声波及定位系统简介1 0 】 2 2 1 超声波特性 超声波一般而言是指频率超过2 0 k h z 以上的声波，这种声波的音频超过人耳 朵所能听到的范围。与电磁波不同，超声波是一种机械波，它可以在气体、液体、 固体中传播。 超声波在空气中的传播特性有以下几个方面： 1 ) 声速。超声波在介质中的传播速度即介质的声速，用c 表示，与环境温度 有关。如在常温下，空气中的声速约为3 4 0 州s ，这样，就可以利用声波传播的距 离l 与传播时间t 的关系l _ v t ，进行超声波测距或定位。表l 列出了几种不同温度 下的超声波速“。 表l 声速与温度关系裹 温度 一3 02 0一1 00 1 02 03 01 0 0 ( ) 声速 3 1 3 3 1 9 3 2 53 3 2 3 3 8 3 4 43 4 9 3 8 6 ( 米缈) t a b l e1r e l a t i o nb e 铆e e nv e l o c i t yo fs o u n da i l dt e n l p 蹦咖r e 2 ) 声阻抗。超声波从一种介质传播到另一种介质，在两介质的分界面上一部 华东师范大学硕士学位论文 分就会发生声波的折射与反射。超声波在两介质的界面上的反射能量与透射能量 的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传播介质的密度与声速 之积。 3 ) 声衰减。超声波在介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生的原因为以 下三个方面：由于波前的扩展而产生的能量损失、超声波在介质中的散射而产生 的能量损失，由于介质的内耗所产生的吸收衰减。 2 2 2 超声波检测的基本知识 超声波检测技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础，各行各业都要 使用的通用技术之一，它是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完成的，简 单的超声波传感器包括下列三个部分：超声换能器、处理单元、输出级。在超声 波检测技术中，超声波换能器是完成超声波发射与接收的关键器件。超声波换能 器分为发射换能器与接收换能器，发射换能器可以将其它形式的能量转换为高频 声能，接收换能器能够把超声能量转化为其它易于测量的能量，如电信号。在实 际使用中常常将发射换能器和接收换能器制作为同一个换能器，即收发一体化。 加上电压时超声换能器受激以脉冲形式发出超声波，然后超声换能器转入接收状 态，对收到的超声波脉冲进行分析。首先要检验接受到的信号是否是所发出的超 声波回声。如果检验结果是肯定的，就测量声波的行程时间，然后根据所设定的 开关距离确定物体是否在开关动作范围之内。如是，则激活相应的输出。而在本 文所研究的定位系统中，超声波换能器的收发是分开的，这样也有利于增加探测 的距离。 利用超声波传感器进行探测物体时，有一些因素对测量结果会产生影响，如 开关滞后、盲区( 盲区的大小取决于换能器的大小与质量，换能器越大，衰减时 间越长，盲区相应的也越大) 、空气温度、空气湿度、空气压力、气流扰动、电 磁干扰等。 2 2 3 定位系统简介 对于平面运动物体，定位是确定物体在二维工作环境中相对于全局坐标的位 姿。定位可根据运动物体工作环境复杂性，配备传感器的种类和数量等不同有多 种方法，主要有；惯性定位、声音定位、图像定位、陆标定位等。 惯性定位是在运动物体( 如小车) 的车轮上装有光电编码器，通过对车轮转 动的记录来粗略地确定位置和姿态。该方法虽然简单，但是由于车轮与地面存在 7 第二章系统概述厦超声波特性 打滑现象，产生的累积误差随路径的增加而增大，定位误差会逐渐积累，引起更 大的误差。为克服这一不足，y 锄a u c h i 使用推测航行法和证据栅格来确定动 态环境中的机器人位置。该方法把在不同时段建立的证据栅格匹配起来，使用 种爬山算法搜索可能的平移与运动空间，可消除推测航行法的累积误差。 声音定位用于物体超出视野之外或光线很暗时，视觉导航和定位失效的情况 之下。基于声音的无方向性和时间分辨率等优点，采用最大似然法、时空梯度法 和m u s i c 法等方法可实现运动物体的精确定位【l4 1 。这种定位方法中物体上装有 一个实时声音定位系统和一个用来探测障碍物的声纳系统，声音定位的方法是基 于人类听觉系统处理回声的方法上建立起来的。它可以在光线不足或黑暗的条件 下，准确的完成运动物体的自主定位。 图像定位是在己知环境中，通过由一个全方向的视觉探测系统( 如c c d 摄像 头) 提供的数据，对运动物体进行自主定位。整个系统是由一个摄像头和一种特 制的圆锥形反射面构成，它对物体周围的环境进行光学处理将采集的信息进行 压缩，然后将它们反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统，在这 里学习子系统将采集到的图像信息和运动物体的实际位置联系起来，完成运动物 体的自主定位。 陆标定位“”在运动物体工作的环境里，人为地设置一些坐标已知的陆标，如 超声波发射器接收器、激光反射板等，通过对陆标的探测来确定自身的位姿。 三角测量法是陆标定位常用的方法，被测物体在同一点探测到三个陆标，并通过 三角几何运算，可确定该物体在工作环境中的坐标。陆标定位是普遍采用的方法， 可获得较高的定位精度且计算量小，可用于实际的生产中。本系统中运动车辆的 定位即是采用陆标定位的方法。 2 3 超声波传感器简介p ，2 5 2 3 1 换能器的工作机理 超声波换能器实际上是一种极近距离内的雷达，其工作机理是依据压电材料 的正逆压电效应。利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加 上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的 机械形变。这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械纵波，如果其振 动频率在超声范围，这种机械波就叫超声波。发射出去的超声波遇到探测物返回 或直接被接收而作用到换能器上，此时就利用正压电效应把来自探测物的声信号 转变为电信号并输出。 华东师范大学硕士学位论文 2 3 2 超声波传感器结构 超声波发生器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加 到超声换能器的压电陶瓷上时，压电陶瓷组件就在电场作用下产生纵向振动。压 电组件在超声振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为( 1 1 0 2 ) 岫，但这 种振动加速度很大，约( 1 0 1 0 3 ) gn ，于是把电磁振荡能量转化为振动能量，这 种巨大的超声波能量，沿着特定方向传播出来。超声波传感器设计制作的关键技 术是使超声波波束变细，除待测物外不受其它构造物的影响。 超声换能器是产生超声波必需的能量转换装置，它把超声电磁振荡的能量转 换为声波。如图2 4 所示是一个超声换能器，它具有重量轻、体积小、能量大的特 点1 1 7 j 。本系统中所使用超声波传感器即是此种结构。 波速整形板 惟状诣撮子 压电组件 吸声片 减摄器 结合轴 内引线 j 彘座 外引线 图2 4 超声波换能器结构示意图 f i g u r e2 ，4 s t m c t u r eo f u l 衄s o n i c 廿a 】1 s d u c e r 相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反，芯片的数目成偶数，以使前后金属盖 板或壳体与同一极性的电极相连，否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈， 这样会导致结构不必要的增大。两芯片之间、芯片与金属盖板之间通常夹以薄黄 铜片( 厚度小于0 1 删m ) ，作为焊接电极引线用，芯片与电极铜片用强力胶( 例如环 氧树脂) 胶合。在压电组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成一体，圆锥状 谐振子的边缘部分装有圆环状弹性橡胶减振器，使之与外壳固定，起声阻匹配作 用。在电一声变换部分的前面的超声波束整形板，是对应圆锥状谐振予的振动模 式设置的几个开口，这些设置可以使超声波波束指向尖锐，波束变细。吸声片能 吸收多余反射声波，净化发射波束。 第二章系统概速及超声波特性 通过上述超声换能结构，配以适当的收发电路，可以使超声能量的定向传 输，并按预期接收反射波，实现超声遥控、测距、防盗等检测功能。 2 4 本章小结 本章首先概况介绍了论文所研究系统的设计思想、结构组成和工作环境， 各部分具体的结构和软硬件设计和实现将在接下来两章中详细阐述。由于本论 文所述系统工作原理是基于超声波定位的，因此在后两小结中简要讲述了超声 波及超声波传感器的一些基本知识，包括超声波性质、传感器的构造和工作原 理以及定位系统的种类等。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 本路径还原系统的硬件部分主要包括发射和接收装置、控制器和数据传输 设备。其中三个接收机固定在场地周围，发射机置于运动的车辆之上。控制器 与接收机之间以双绞线相连。所用到的硬件设备主要有超声波传感器、单片机、 r s 一2 3 2 串口及连线、集成运放、比较器、触发器、与门、温度传感器、电平转 换芯片、i u 4 5 接口及双绞线等。 3 1 部分硬件器件简介 这一节主要介绍了超声波传感器和p h i l l p s 5 1 系列单片机的特点和性能，其 它的一些器件将在各部分电路设计中简要介绍。 3 1 1 超声波传感器 本系统采用的发射接收探头是型号为t c s t 4 0 1 6 f s 的压电陶瓷超声波传 感器，通过接下来的介绍可以看出，该型传感器完全能够满足本系统的设计要 求。它的主要适用范围有： 1 家用电器和其它电子产品； 2 超声测距，汽车倒车防撞装置和超声波近接开关； 3 防盗、防灾设备的超声波发射和接收。 该产品具有如下特点： 1 高灵敏度、高可靠性、高稳定性； 2 耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、振动等严酷环境下工作。 型号名称中各字母及数字意义如下： 型号命名法 t c st4 0 i 6f s l2 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 ) ( 1 ) 压电陶瓷超声波传感器：t c s ( 2 ) 类别：t 一普通型号 ( 3 ) 中心频率：( i m z ) ( 4 ) 外径：巾( m m ) 华东师范大学硕士学位论文 ( 5 ) 使用方法：f s 接收发射一体化 ( 6 ) 产品材料顺序号：1 一黑色塑料2 一铝本色 该传感器特性参数如下： 中心频率 发射声压( o d b - 2 0 妒a ，距离0 3 m ) 接收灵敏度( 0 d b = 1 v 曲砌 感应度( o d b = 1 0 v p - p ) 静电容 最大工作电压 使用温度 发射角度 分辨率 最大探测距离 外形尺寸 4 0 士1 k h z 1 0 5 d b 7 5 d b 一4 5 d b 2 7 0 0 土2 5 p f 1 5 0 v p 巾( 小于1 0 工作周期) 2 0 7 0 4 0 。 9 m m 1 6 m 由于该传感器是收发一体式，特性参数中的最大探测距离指的是发射一反 射后的探测距离，且反射时还有能量损失，而本系统收发分离，因此作用范围 将至少可达到3 0 米。同时分辨率参数也能达到系统设计的要求。 图3 1 3 3 显示了该型传感器的一些特性曲线。 1 2 墨三塞墨竺矍堡塑盐 6 喜o o 0 9 穰狳 图3 1 声束角特性 9 0 。 f i g r u e3 1p r o p e r t yo ft r a n s m i t t i n ga n 9 1 e ， ， ， ， ， ， 01 02 03 04 05 05 0 丁08 0 ，o1 0 01 加坛0 图3 - 2 发射电压特性 撺0 1 4 0i s o v 一口 f i g u r e3 2p r o p e r t yo ft r a n s m i t t i n gv 0 1 t a g e 、 、 ， 、 、 、 3 00 4 5 3 84 04 z4 44 6 4 8 s f r e q u e n c y 图3 3 频率响应特性 f i g u r e3 3p r o p e r t yo ff r e q u e n c yr e s p o n d i n g 根据实验所观察的现象，该传感器的实际性能与特性曲线相符。 1 3 _州净_n矗o一hkdif，o b 0 5 0 s 0 s 协0 5 0山一叶叶吲吲咭吖叶呻咄1 卜phph_hj【|【帕曲净o z b 0 s 0 5 0 5 s 0 5 0 强8目雀=罢瑶瑶勰 华东师范大学硕士学位论文 3 1 2 控制单片机 系统中所使用的发射端和接收端控制单片机是p h i l i p s 公司的p 8 9 c 5 1 r x 系列 微控制器。该系列微控制器具有8 k 一6 4 k 并行可编程的非易失性f l a s h 程序存 储器并可实现对器件串行在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 。在系统编程 ( i s p ：i n - s y s t e mp m g 捌砌咖g ) ：当m c u 安装在用户板上时，允许用户下载新的 代码。在应用中编程( i a p ：i n - a p p l i c a t i o n p r o g r 煳i n g ) ：m c u 可以在系统中获取 新代码并对自己重新编程，这种方法允许通过调制解调器连接进行远程编程。片 内r o m 中固化的默认串行加载程序b o o tl o a d e r 允许i s p 通过u a r t 将程序代码装 入f 1 a s h 存储器，而f l a s h 代码中则不需要加载程序。对于i a p ，用户程序通过使用 片内r o m 中的标准程序对f l a s h 存储器进行擦除和重新编程。这样的特性确实使 得在系统实际测试中对程序的调试与修改时获得了极大的便利。 该器件可通过并行编程或在系统编程的方法对一个f l a s h 位进行编程从而选 择6 时钟或1 2 时钟模式此外也可通过时钟控制寄存器c k c o n 中的x 2 位选择6 时 钟或1 2 时钟模式另外当处于6 时钟模式时外围功能可以选择一个机器周期6 时钟 或是1 2 时钟这是通过c k c o n 寄存器进行选择的。 该系列微控制器是8 0 c 5 1 微控制器的派生器件，是采用先进c m o s 工艺制造 的8 位微控制器，指令系统与8 0 c 5 1 完全相同。该器件包含1 2 8 字节r a m 、4 组8 位口、3 个1 6 位定时计数器、多中断源4 中断优先级嵌套的中断结构、1 个增 强型u a r t 及片内振荡器及时序电路。新增的特性使得p 8 9 c 5 1 r x 系列成为功能更 强大的微控制器，能更好地支持应用于脉宽调制、高速i o 、递增递减计数能力 如电机控制等场合瞄l 。 具体特性如下： 8 0 c 5 1 中央处理单元 具有i s p 和i a p 功能的片内f l a s h 程序存储器 片内b o o tr o m 包含底层f l a s h 编程子程序以实现通过u a i h 下载程序 可实现最终用户应用的编程( i a p 】 与8 7 c 5 1 兼容的并行编程硬件接口 每个机器周期为6 个时钟周期( 标准) 可通过并行编程器选择6 时钟1 2 时钟模式( 芯片擦除后默认的时钟模式为1 2 时钟) 可通过i s p 对选择6 时钟1 2 时钟模式的f l a s h 位进行擦除和编程 可通过s f r 位“在运行中改变”6 时钟1 2 时钟模式 当c p u 为6 时钟模式时，外围功能( p c a 、定时器、u a r t ) 可选择使用6 时 1 4 第三章系统硬件设计 钟1 2 时钟模式。采用6 时钟周期时频率可高达2 0 m h z ( 相当于4 0 m h z ) ，采 用1 2 时钟周期时频率可达3 3 m h z 全静态操作 r a m 可外部扩展到6 4 k 字节 4 个中断优先级 7 个中断源 4 个8 位i o 口 全双工增强型u a r t 一帧错误检测 一自动地址识别 电源控制模式 一时钟可停止和恢复 一空闲模式 一掉电模式 可编程时钟输出 异步端口复位 双d p t r 寄存器 低e m i ( 嘉g 止a l e ) 可编程计数器阵列( p c a ) 一p w m 一捕获比较 3 个1 6 位定时器 掉电模式可通过外部中断唤醒 3 2 发射模块设计 发射模块完成超声波脉冲信号的产生和发射，分为三部分：调制信号的产 生，调制信号的放大，超声波信号的发送。结构框图如下： 图3 4 发射模块结构图 f i g u r e3 4 f r 乏l m eo f t r 锄s m i tm o d u l e 1 5 华东师范大学硕士学位论文 脉冲调制信号由单片机产生，经i o 口输出。考虑到超声波频率较低，可 能对外界的抗干扰能力较差，因此不能发射单脉冲的超声波。为对抗突发干扰， 单片机产生脉宽为1 2 5 2 0 0 u s ，即一个调制脉冲内包含5 8 个4 0 k h z 的方波。 脉冲间隔根据汽车运行速度定为0 1 秒( 可调整) 。超声波脉冲和时间间隔都通 过单片机的软件延时来产生。以下为一个发射周期信号的示意图： 卜一0 1s 叫 i 图3 5 发射脉冲示意图 f i 毋鹏3 5t r a n s m i n i n gp u l s e 由于单片机i ，o 口输出高电平仅为5 v ，而从图3 2 可知，为使发射传感器 能够工作，发射端工作电压应不低于1 5 v ，且工作电压越大，超声波的作用距 离也越远，因此首先通过放大电路对单片机产生的信号进行放大；再将放大了 的信号加载予超声波传感器上 3 】。由于发射的超声波有一定的波束角( 约4 0 。) ， 为了全向覆盖，需要至少8 个发射器按一定角度排列，同时发射。( 由于系统调 试时场地范围较小，实验电路中使用了3 个发射器，如图3 6 所示) 图3 6 是发射模块的设计电路图，将单片机产生的4 0 k h z 脉冲信号加于三 极管0 1 基极，高低电平控制三极管导通，使发射探头两端加载频率相同，但 电压放大为15 v 的脉冲信号。由于在实验阶段距离相对较近，仅将信号放大到 1 5 v 左右( 在该电压下，并配合目前的接收电路，工作距离已可达到1 5 米) ， 在实用阶段，为使工作距离增大，该电压还可相应增加。电阻r 3 为发射电路 提供电流回路。 1 6 第三章系统硬件设计 图3 6 发射电路原理图 f i g u r e 3 6 s c h e m a t i co f 仃a i l s m i tc i r c u i t 图3 7 发射电路实物图 f i g u r e3 77 r f a n s m i t t i n gc i r c u np c b 图3 7 为实际制成的发射电路实物图( 未接发射探头) 。 图3 8 显示的是实验中通过示波器所观察到的单片机p 1 3 口输出电平，实 华东师范大学硕士学位论文 际产生7 个方波脉冲，周期为2 5 “s 。由于外接负载，管脚电平被拉低。图3 9 中的波形是经放大后的加载在发射探头两端的脉冲信号，经q 1 后相位与单片 机输出相反，电压放大为1 5 v 。由于三极管结电容的影响，图中所示放大后的 波形发生了畸变，但由于频率未变，所以仍能很好地产生4 0 乜的超声波脉冲。 图3 - 8 单片机输出脉冲波形 f i g u r e3 8 p u l s eo fm c u o u t 】) u t 图3 9 放大后的脉冲波形 f i g u r e3 9 p u l s ea f t e ra m p l i n e d 第三章系统硬件设计 3 3 接收模块设计 接收模块负责对接收到的超声波信号进行接收和处理。主要包括接收、放 大、整形、锁存、中断触发、测温和数据发送。该部分设计结构框图如图3 1 0 所 示。其中的接收器应为三路接收。 图3 1 0 接收模块结构图 f i g u r c3 1 0 f r a m eo f r e c e i 、惦n l o d u l e 以下小节对各部分具体加以说明。 3 3 1 接收、放大电路 这部分负责超声波信号的接收与放大。超声波经过较远距离的传送后，信号 变得很微弱，接收器接收并转换为电信号后幅值很小，只有约几个毫伏，因此接 收器收到超声波信号后首先经过三级放大电路，放大超过6 0 d b 后的交流信号送 入其后的比较器整形作进一步处理。 图3 1 1 接收电路原理图 f i g i l r e3 1 1 r e c e i v ec i r c 疵s c h e m a t i c 超声波接收电路由运算放大器t l 0 8 4 等组成，图3 1 1 是接收放大电路的原 华东师范大学硕士学位论文 理设计图。t l 0 8 4 为j f e t 输入高速四运算放大器，内接频率补偿电路和短路保 护电路，四个运放之间具有良好的匹配性能和隔离性能，电源电压一般为士1 5 v ， 低于此数值亦可。由于接收电路与控制电路共用电源，为简化电路设计，采用了 士5 v 电源。实验中发现在该电压条件下器件仍能良好工作。 电阻r 3 、r 4 ( 均为4 7 k ) 为运放的同相端提供直流偏置电位，这两个直流偏 置电阻的作用是相当重要的，它们可以很好地稳定运放t l 0 8 4 的直流工作点，不 致于使其同相输入端出现浮动状态，而造成输入信号不稳定。由于采用多级放大， 且总增益比较高，为了避免电路产生自激振荡，使运放能够稳定地工作，设计时 采用了超前补偿的方法，外加一定的频率补偿网络，在第三级运放的输出端和反 相输入端之间接入电容c 6 。 图3 1 2 接收波形图 f i g u r e3 1 2 r e c e i v e dw a v e 图3 1 2 所示为实验中观察到的接收电路输出波形图。从图中可以看到接收波 形脉冲数明显比发射脉冲数要多，这是由于超声波在空间运行经过反射，也即多 径效应所造成的。因为反射波总比直射波运行时间长，所以最先被接收器所接收 的一定是直射波，即反射波所引起的接收脉冲在图形中的位置是靠后的。而经过 后接的比较器后将由最初的上升沿触发d 触发器( 见图3 1 4 ) ，因此接收波形的延 第三章系统硬件设计 长将不会对后续的数据处理和实时性要求产生影响。 3 3 2 整形、锁存电路 当接收信号放大后将送入比较器整形，将正弦波整形为方波，然后以方波作 为d 触发器的时钟脉冲输入，其上升沿触发d 触发器，从而将多个方波脉冲变为 一个方波脉冲锁存在d 触发器中，再引起单片机的外部中断。使用d 触发器有两 个好处：一是若用比较器的输出直接触发中断，由于有多个方波，将引起多次脉 冲；另一方面，因为系统使用一个外部中断资源处理三路中断源，若处理一路中 断源时另一路中断也到达了，将引起中断的丢失，而用了d 触发器可将中断信号 锁存起来，待前一路处理完毕后再被处理。 这部分电路主要由l m 3 3 9 和7 4 l s 7 4 等构成。下图为电路原理图。 图3 1 3 整形、锁存电路原理图 f i g u r c3 1 3r e f o m i n ga n dn i p n o pc i r c m ts c h e m a t i c l m 3 3 9 为四电压比较器，r 1 4 为上拉电阻，阻值的不同会影响输出端高电平 的值。在任意一个输入端加一个固定电压做参考电压( 也称为门限电平，它可选 择l m 3 3 9 输入共模范围的任何一点) ，另一端加一个待比较的信号电压。如图所 示，在反相输入端所加参考电压可通过电位器调节。若将门限设为零，这样很小 的接收信号也可使比较器输出方波，增加了系统接收灵敏度，也即增加了接收距 离，且实时性高。但灵敏度越高系统的抗干扰能力也就越差，若有干扰脉冲也会 引起比较器输出，从而触发d 触发器，因此该门限应有一定的电位值。 图3 1 4 显示了实际测试中比较器输入和输出端的波形图，从图中可以看到， 由于有一定的门限闽值，并不是接收脉冲的第一个过零点触发比较器，两者之间 约相差三个脉冲，即时间上约7 5 u s 的差值。根据声速折合为距离约为2 厘米的误 差，应该说对系统性能的影响并不大。实验中也发现该门限电平还可适当降低， 从而进一步提高系统的精度和工作距离。 2 1 华东师范大学硕士学位论文 图3 1 4 比较器输入、输