（通信与信息系统专业论文）超声波精确测距的研究.pdf

摘要 超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用如汽车倒车雷达等，它们测 距精度一般较低。目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。为此，本文 在了解超声波测距原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距 系统的硬件设计，其中提出采用单片机外部扩展的计数电路可升高计数参考频 率，来提高系统的测距精度。 为了进一步提高系统测量精度和系统稳定性，在硬件上增加了温度传感 器，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，降低了温度 变化对测距精度的影响；同时采用c p l d 芯片来完成计数功能，从而提高了系 统计时的可靠性。 针对噪声环境中超声波测距的情况，本文讨论了一种基于相移检测的时延 估计方法，可有效地降低噪声对测距的干扰，有利于提高超声波测距系统的测 量精度。 关键字：超声波，距离测量，相移检测 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fm e a s u r i n gd i s t a n c eb yu l t r a s o n i cs i g n a li sw i d e l yu s e di n m a n ys o c i a lf i e l d s ，s u c ha sb a c k i n g c a rr a d a ra n ds oo n ，b u tt h e i rp r e c i s i o ni s r e l a t i v e l y l o w a tp r e s e n t ，t h er e q u e s tf o rh i g hp r e c i s i o nm e a s u r i n gd i s t a n c e s y s t e mb e c o m e ss t r o n g e ra n ds t r o n g e r s o ，g r o u n d i n go nt h ec o m p r e h e n s i o no f m e a s u r i n gd i s t a n c ep r i n c i p l eb yu l t r a s o n i c ，t h ep a p e rc o m p l e t e sa nh a r d w a r e d e s i g nw h i c h b a s e do nt i m ed i f f e r e n c em e a s u r i n gd i s t a n c et h e o r y ，a n dp r e s e n t sa p e r i p h e r a le x t e n d e dc o u n t i n g c i r c u i to f s i n g l e - c h i pc o m p u t e r ，w h i c h c a ni n c r e a s e t h ec o u n t i n gr e f e r e n c e f r e q u e n c y s oa st oi m p r o v em e a s u r e m e n ta c c u r a c y o ft h e s y s t e m i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n t a c c u r a c ya n ds y s t e ms t a b i l i t yf u r t h e r , w ea d dat e m p e r a t u r es e n s o ri nt h eh a r d w a r ed e s i g na n da d o p tt h ei m p r o v e d m e t h o dw h i c hc o m b i n e ss o u n dv e l o e i t y p r e s e t t i n gw i t hm e d i u mt e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n tt om e n dt h es o u n dv e l o c i t y b yt h i sm e a n s t h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n o nd i s t a n c em e a s u r e m e n ti sd e c r e a s e d i na d d i t i o n ，i n o r d e rt oi m p r o v et h es y s t e mr e f i a b i f i t yi nt i m ec o u n t i n g w ea d o p tc p l d c h i pt o r e a l i z et h ec o u n t i n gf u n c t i o ni nt h ed e s i g n i nt h ee n d ，o na c c o u n to ft h a tu l t r a s o u n dc a l lb ec o r r u p t e de a s i l y b y g a u s s i a nn o i s e ，ak i n do fa l g o r i t h mb a s e do i lp h a s e - s h i f td e t e c t i o ni s d i s c u s s e d ， w h i c hc a ns u p p r e s st h ei n t e r f e r e n c ee f f i c i e n t l ya n db eh d p f u lt o i m p r o v et h e m e a s u r e m e n t a c c u r a c y k e y w o r d s ：u l t r a s o u n d ；m e a s u r i n gd i s t a n c e ；p h a s e - s h i f ta p p r o a c h 硕士论文 超声波精确测距的研究 1 绪论 利用超声波测量已知基准位置和目标物体表面之间距离的方法，称为超声波 测距法。 利用超声波。3 作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕 捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波( 2 0 k h z 以上的 机械波) ，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长 短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度 相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性 好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利 用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在 很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测 和定位、以及流体液面高度测量等。 1 1 研究背景与意义 超声波测距在某些场合有着显著的优点，因为这种方法是利用计算超声波在 被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，因此它是一种j # 接齄式的测量 所以它就能够在某些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。比如要测量有毒或 有腐蚀住化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶汽车之闻的距离。 目前基于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量 和控制，物体内气孔大，j 、的检测和机械内部损伤的检测等。本文结合超声波精确 测距的需要，分析了影响超声波测距精确的多种因素，进行了系统的硬件设计和 软件设计，来有效提高超声波测距系统的精度。 根据超声波测距的原理，设计了m c s 一5 1 单片机为核心的低成本、高精度、 微型化数字显示超声波测距系统，考虑到单片枕测量精度受到内部主振频率或参 考频率的限制，从硬件电路设计角度出发，采用了一种单片机外部硬件扩展计数 电路，通过丹高计数的参考频率来提高了测距系统的计对精度，以最终提高了系 统的测距精度。经过实验分析，效果良好。 为了进一步提高超声波测距仪的测量精度和分辨力，又进行了设计改进，采 取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，可有效地消除温度变 化对精度的影响；同时采用c p l d 芯片完成原计数功能，从而提高了超声波往返 时间的测量可靠性。 顺l 论义超声波精确测距的研究 为了抑制测距环境中噪声对测量精度的影响，又进行了基于相移检测法的 超声波测距方法的研究。 1 2 本领域研究的历史与现状 一般认为，关于超声波的研究最初起始于1 8 7 6 年f g a l t o n 的气哨实验。当 时g a l t o n 哨在空气中产生的频率达3 1 0 h z ，这是人类首次有效产生的高频声 波。 这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、 非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、 电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、 生物科学等领域中也占据重要地位。 国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研 究。对超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的 传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输时 间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起 来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。 厦门大学的童风研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测 求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波的传输时间的精度 得到了很大提高。意大利的c a r u l l o 等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发 射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境的噪声进行估测，设置一定的回波 开门电平，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精 度。另外也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输 时间的精度。这些处理方法都取得了较好的结果。 1 3 论文研究内容和章节安排 本文首先介绍了超声波测距的工作原理。接着基于测距原理，介绍了一种硬 件设计。为了提高测量精度，然后我们又设计了一种以m c s 一5 1 单片机为核心的 低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距硬件系统。最后，针对测量环境存 在有色噪声干扰的情况，为了降低噪声对测量精度的影响，介绍了一种基于相移 检测法提高超声波测距精度的方法。论文研究内容和章节安排如下： 第一章：介绍了本课题的背景与意义，研究的历史与现状； 第二章：介绍了超声波测距系统的工作原理，重点介绍了往返时间检测法测 坝l 论义超声波精确测距的研究 距的理论。 第三章：根据超声波测距的原理，设计了m c s - 5 1 单片机为核心的低成本、 高精度、微型化数字显示超声波测距系统。分析了影响超声波测距精度的因 素，考虑到单片机测量精度受到内部主振频率或参考频率的限制，从硬件电 路设计角度出发，采用了一种单片机外部硬件扩展计数电路，通过升高计数 的参考频率来提高了测距系统的计时精度，以最终提高了系统的测距精度。 经过实验分析，效果良好。 第四章：为了进一步提高超声波测距仪的测量精度和分辨力，又进行了设计 改进，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，可有效 地消除温度变化对精度的影响：同时采用c p l d 芯片完成原计数功能，从而 提高了超声波往返时间的测量可靠性。 第五章：为了降低测量环境中的噪声对测量的影响，提高测量精度，本文介 绍了基于相移检测法超声波测距的基本原理和最大似然估计器，并进行了计 算机仿真。仿真结果表明这种超声波测距算法对噪声环境中目标的精确的距 离测量是非常有效的。 硕士论文 超声波精确测距的研究 2 超声波测距系统的工作原理 引言 这一章主要是介绍超声波的一些特性，以及在利用超声波进行测距的工作原 理，为本论文后面章节的硬件设计提供理论依据。 2 1 超声波介绍 超声波 1 】简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是 指声音超过了2 0 五以上时称之为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机 械波，它可以在气体、液体和固体中传播。我们知道，电磁波的传播速度为3 1 08 m s ，而超声波在空气中的传播速度为3 4 0 m s ，其速度相对电磁波是非常 慢的。超声波在相同的传播媒体里( 如大气条件) 传播速度相同，即在相当大的频 率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹 性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁 波是类似的： a = a ( x ) c o s ( w t + | b ：) ( 2 1 ) a ( x ) = 4 9 一( 2 2 ) 式中，a ( x ) 为振幅，4 为常数，w 为圆频率，t 为时间，x 为传播距离，= 2 石五 为波数，a 为波长，口为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为： 口= a f 2 ( 2 3 ) 式中，d 为介质常数，厂为振动频率。在空气里，盘= 2 1 0 。3s2 cm ，当振动 的声波频率f = 4 0 k h z ( 超声波) 代入式( 2 3 ) ，可得口= 3 2 1 0 。o m ，即l 口= 3 1 m ；若厂= 3 0 k h z ，则l 口= 5 6 m 。它的物理意义是：在( 1 口) 长度上，平面 声波的振幅衰减为原来的e 分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害， 传播的距离也越短。声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量 被吸收损耗。考虑实际工程测量要求，在设计超声波测距仪时，选用频率厂= 4 0 k h z 的超声波。 硕士论文 超声波精确测距的研究 2 1 1 超声波传播的速度 由于超声波也是一种声波，超声波在媒质中传播的速度和媒质的特性有关。 理论上，在1 3 的海水里声音的传播速度为1 5 0 0 m s 。在盐度水平为3 5 o ，深 度为o m ，温度为o 的环境下，声波的速度为1 4 4 9 、3 m s 。声音在2 5 。c 空气中传 播速度的理论值为3 4 4 m s ，这个速度在o * c 时降为3 3 4 r n s 。声波传输距离首先和 大气的吸收性有关，其次温度、湿度、大气压也是其中的因素，而这些因素对大 气中声波衰减的效果比较明显。温度是和其他常数一样决定声音速度的第二因 素。它和温度的关系可以用以下公式来表示：c = 3 3 1 4 5 + 0 6 1 t ( 米秒) 。在使用时， 如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应 通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可 求得距离，这就是超声波测距系统的机理。 2 1 2 超声波的产生和使用频率 要利用和研究超声波，首先要设计和制作超声波发生器 2 1 和检测超声波的探 头。总体上讲超声波发生器可以分为两大类：一类使用电气方式产生超声波，一 类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等；机 械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声 波特性各有不同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波必须要有一定的 功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必 要条件，只有得到足够的回波功率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干 扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为4 0 k h z 左右的超声波在空气中传 播的效率最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成4 0 k h z 左右、具有一 定间隔的调制脉冲波信号。 2 1 3 超声波的回波 假设超声波通过的媒质是空气，任何物体都能反射、吸收、折射一部分通过 它自身的声波，其比例依赖于物体自身的均衡度。反射波的振幅与目标物体上能 产生反射的表面成比例。表面尺寸、形状、方位是影响反射波强度的主要因素。 耍主笙塞 塑主鎏堕塑型堕塑婴壅 目标物体的组成成份也是一个因素。一部分声波发射到达物体表面后被反射，一 部分则进入物体，在物质中传输，最终被遇到的物体界面反射。因此你也可以接 收到来自物体内部的信号，不过它是很细微的( 见图2 1 ) 。 2 2 测距原理 图2 1 超声波发送、反射、接收图 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测 法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的 影响。本论文硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为：检测从超声波发 射器发出的超声波( 假设传播介质为气体) ，经气体介质的传播到接收器的时间， 即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测 距离是声波传输距离的一半，即： 1 三= v r( 2 4 ) 工 在上式中，l 为待测距离，v 为超声波的声速，t 为往返时间。由下式计算测量 误差； 吼= v 盯址+ 出q( 2 5 ) 式中，0 l 为测距误差，v 为声速，为时间测量误差，瓯为声速误差。若要求 测距误差小于0 o l i n ，已知声速v = 3 4 4 m s ( 2 0 。c 时) ，忽略声速误差，那么测量时 间的误差 争= 酉0 , 0 1 = 0 0 0 0 0 3 s( 2 6 ) 显然，直接用秒表测时间是不现实的。因此，实现超声波测距必须避开直接测量 时间的方法，才能获得实用的测长精度，我们利用c p l d 的脉冲计数的方法，间 接测量时间，可以把声波的时间精度提高到所需的准确度，也就是把超声波往返 硕士论文超声波精确测距的研究 时间转化为对计数脉冲个数n 的测量， l = n s 2 式中，s = v f ，f 为计数脉冲的频率， l = n v ( 2 厂) 2 3 本章小结 所以式( 2 4 ) 可写成 v 为声速。所以 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 本章介绍了超声波的特性，对超声波在传播过程中的衰减与声波所在介质及 频率的关系进行了分析。在超声波测量工作原理中，分析指出需要把超声波往返 时间的测量转化为对计数脉冲个数的测量，才能提高测量精度。在下面的章节中， 我们将进行具体的硬件设计。 硕士论文 超声波精确测距的研究 3 超声波精确测距系统的硬件设计 引言 在上一章中，我们已经知道超声波测距公式为：l = 1 2 v f 。其中v 为超声波 传播速度，t 为超声波从发射到接收的往返时间。由于超声波在大气中的传播速 度v 相对稳定，因此可以看出，测距精度的关键在于测距系统能获得较高精度f 的 值。在这一章中，设计了m c s 一5 1 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字 显示超声波测距系统，将通过单片机外围扩展硬件电路来升高计数参考频率，以 提高对时间t 的测量精度，以最终达到提高测距精度的目的。 3 1 提高测距精度的依据 以单片机内部计数器来计数测量超声波传输时间时，其测量精度受单片机内 部参考频率或主振频率的限制，若主振频率为6 m h z ，则内部参考频率为o 5 m h z ， 周期为2 膨。参考频率计数误差的影响，往往就决定了测试系统的最高分辨力。 提高分辨力的唯一方法就是提高计数参考频率。只有改进电路工作原理，才能提 高测量精度。本文介绍一种通过扩展硬件电路，采用外部计数电路，本电路使参 考频率直接取自由单片机的主振频率6 m h z 。可升高计数参考频率，从而可提高 超声波测距系统的测量分辨力。 3 2 电路工作原理及设计 要提高仪器分辨力，就必须提高计数参考频率。本电路使计数参考频率直接 取自由单片机的主振频率6 m h z ，超声波测距系统方框图如图3 ，1 所示，系统电 路原理图如图3 _ 2 所示。单片机的只。脚控制超声波的发射，接收电路接收到超 声波后进行放大、滤波处理，由比较电路测出某一个超声波触发测试电路启动计 数，以后来到的超声波被屏蔽掉，测试电路的输入部分是由一个5 5 5 定时器构成 的单稳态触发器构成，其稳态输出为“0 ”，暂稳态输出为“1 ”，工作原理如下： 当单片机复位后，其i 0 口均为高电平“1 ”，三片7 4 h c 5 7 3 的输出控制 状态引脚o e 为“1 ”，所以输出均为高阻。只，为“l ”，三片七级二进制计数 器c d 4 0 2 4 输出全为“0 ”。清只，关闭参考频率输入与非门，禁止计数，然后 硕士论文 超声波精确测距的研究 图3 1 超声波测距系统框图 清只，为“0 ”，准备计数，当鼻。控制超声波换能器开始发射超声波时，立刻置鼻， 为“1 ”。打开计数器，单片机转去监测只。脚是否为低电平，一旦只。为“0 ”，立 刻清只：为“0 ”，关闭计数器。尽管以后来到的超声波负脉冲不断触发单稳电路， 但b 与非门已被只：屏蔽封锁，不影响计数电路。然后单片机首先清只。为“0 ”， 读7 4 h c 5 7 3 a 的数据，送内部r a m 2 4 h 存贮，置p 2 。为“l ”后，再依次清只。和 最：为“0 ”，读7 4 h c 5 7 3 b 、c 的数据送2 5 h 和2 6 h ，程序转去数据处理，通过 串行口发送给微机，即完成了一次测量。 电路中7 4 h c 0 0 的b 与非门采用双信号控制输入，减小了测量结果的系统误 差和随机误差。如仅采用单片机的只：脚控制，由于单片机测出只。为“b ”后， 再执行只，为“0 ”至7 4 h c 0 0 b 输入为“0 ”至少需2 4 c t s 的时间，且有随机性， 所以这就给计数结果带来了较大的随机误差，降低了测量精度。 如只用单稳脉冲控制计数电路，虽然消除了随机误差，但很难对计数电路进 行控制。所以采用双信号控制可以达到理想的控制效果，即当第个超声波负脉 冲来到后不经单片机，直接触发单稳输出，关闭计数电路，在单稳退出之前( 电 路设计单稳持续时间约2 0 声) 、单片机的控制信号( 只，为“0 ”) 已来到，从而屏 蔽掉后来的超声波负脉冲触发。当一次测量数据处理完后，电路又恢复到初始状 态，单片机鼻，脚断定单稳输出为稳态后，再继续下一次测量。 9 硕士论文超声波精确测距的研究 参考频率来自单片机的x t a l 2 脚的晶体振荡，省掉了振荡电路，信号负载为 c m o s 元件，耗电很少，基本上对振荡波形和幅度无影响，更不会影响单片机的 正常工作。 图3 2系统电路原理图 3 3 超声波测距系统的工作过程 1 首先，系统控制部分初始化整个系统 ( 1 ) 初始化液晶，显示开机画面 ( 2 ) 初始化计数控制部分，清除计数值，使之恢复为0 ，复位触发 器。 2 单片机连续发射l o 个频率为4 0 k h z 的脉冲。 3 立刻置鼻：为“1 ”。打开计数器，等待回波信号。 4 - 回波信号负脉冲到达，只。为“0 ”，立刻清e ：为“0 ”，关闭计数器。 5 单片机读出计数值。 堡主堡窭 塑妻鎏堕堕型里盟婴壅 6 单片机将计数值进行计算后得出的距离值，显示在液晶屏上。 3 4 超声波测距系统硬件实现 3 4 1发射部分 发射部分用来对超声波换能器进行功率驱动，将由单片机产生的4 0 k h z 脉 冲信号送入发射输入端，经过驱动放大达到足够功率之后，推动超声波换能器产 生超声波。 3 4 2 接收部分 接收部分主要由接收换能器和放大电路等环节组成。其中放大电路是一个放 大倍数较高的三级运算放大器，其功能是将从目标处反射回来的微弱信号进行 放大整形后送入计数控制电路部分。由于在距离较远的情况下，声波的回波信 号很小，因而转换为电信号的幅度也较小，为此要求将信号放大6 0 万倍左右。 采用三级放大：前两级放大1 0 0 倍，采用高精密放大器l m 3 1 8 ，其带宽为1 5 m h z ， 能充分满足要求；第三级采用l f 3 5 3 运算放大器，带宽为4 z 。放大后的交 流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是将交流信号整形为一个方波信 号，输出信号送入5 5 5 单稳态触发器。 在回路中采取了隔直、滤波、整形措施。调试过程中使用信号发生器送脉冲 信号给接收回路，在输出端通过示波器观察输出波形。 3 4 3 计数控制部分 单片机外部扩展硬件电路由三片七级二进制计数器c d 4 0 2 4 ，一个5 5 5 定时 器构成的单稳态触发器，四片与非门，三片三态输出数据锁存器构成，提高了计 数参考频率，并由单片机发出指令完成计数功能。 单片机复位后，三片七级二进制计数器c d 4 0 2 4 输出全为“0 y - jo 清只，关闭 参考频率输入与非门，禁止计数，然后清弓，为“0 ”，准备计数，当日。控制超 声波换能器开始发射超声波时，立刻置只，为“1 ”。打开计数器，单片机转去监 测z 。脚是否为低电平，一旦鼻。为“0 ”，立刻清b ：为“0 ”，关闭计数器。尽管 以后来到的超声波负脉冲不断触发单稳电路，但b 与非门已被只，屏蔽封锁，不 影响计数电路。然后单片机首先清p 。为“0 ”，读7 4 h c 5 7 3 a 的数据，送内部 硕士论文超声波精确测距的研究 r a m 2 4 h 存贮，置eo 为“i ”后，再依次清最l 和只2 为“0 ”，读7 4 h c 5 7 3 b 、c 的数据送2 5 h 和2 6 h ，程序转去数据处理，即完成了一次测量。 3 4 4 系统控制 控制由单片机a t 8 9 c 5 1 构成。a t 8 9 c 5 1 【4 1 是一个4 k 字节可编程e p r o m 的 高性能微控制器。它与工业标准m c s 5 1 的指令和引脚兼容，因而是一种功能 强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了个高度灵活有效的解决方 案。在这个系统里，它的作用是形成用于产生超声波的4 0 k h z 信号、形成必要 的时序、控制l c d 字符的显示、控制继电器通断以及对采集到的数据进行运算。 3 4 5 显示部分 显示部分用了一块1 酽2 的字符型l c d 模块，它的读写操作、屏幕和光标的 操作都是通过指令编程来实现的，显示内容丰富，美观，编程灵活方便，和单片 机的接口也较简单方便。在该系统中，它主要是用来显示开机画面，测量距离等。 3 4 6 电源部分 。皴豢霉鬟： 渤泛案攀犄 l 芯辟工傩泡厦：戴s - 5 ，错 工椽魍流：2 。q 爨蠢5 。镰 ， 模块鼍毽z 傣电压： 藏群 字符穴寸：2 。蜷瀚。筠锵黼撇 一 表3 il c d 的主要技术参数 电源部分由整流桥，三端稳压管和滤波电容组成。l m 7 8 1 2 和l m 7 9 1 2 提供 1 2 v 电源供接收部分运放使用，l m 7 8 0 5 则负责提供电源给其他部分。 硕士论文 超声波精确测距的研究 3 5 超声波测距系统的软件实现 3 5 1l o b 液晶屏的编程 对l c d 进行编程，必须先了解l c d 的接口协议，通过查阅，它的主要参数如 表3 1 所示。 l c d 共有1 6 个引脚与外部相连，具体说明如表3 2 所示：下面将对l c d 的 读写程序进行具体介绍。 壤罨祷母繁黔潍曦编罨棼罨戳黯浚磷 l懈电料g抛翻蟾i 内 2鼬 毫嚣征掇 糟籼hi 挎 3巍 麓蕊嚣示蔫压德罨 l 翻舢t li 席 毒箍 t l i t ；l 每t l ! l l 帆 1 2描如抽l 内 s脯 骧鹰建撵端( 1 t f l , ) l s髓 a t il 庵 鑫 麓瞄每 科 沁hi 意 70 0 协i 蹲糟8 1 a 骛焘薄疆疆 嚣引妇镰l 内 6裁点髯燃热辍 表3 2l c d 接口信号说明 ( 1 ) 读操作： l c d 的读操作时序如图3 3 所示： 硕士论文超声波精确测距的研究 e d b o - d b 7 ： t 孽1 + 一 帅1 _ _ fl 卜p h 啡 h t h d t 二 1 ? 确 - 扭刊高 xv a l i d 妇t a 图3 3l c d 的读操作时序图 l c d 读操作参考程序如下： 读液晶模块函数 选择寄存器 w r = l ，说明进行读操作 使能端置高，使液晶屏操作有效 将选中的寄存器内的值读入单 使能端拉低，l c d 执行命令 将所得值返回调用处 ( 2 ) 写操作： l c d 的写操作时序如图3 4 所示 ) a 0 t 曲 忱 扎 州 乱 嘏 妇 缸 曲 甜 埘 如 列 k 酣 甜 ，乩 怡 “ 弛 e 扩 a 1 f 0 c 囊 牡 卜 髓 弧曲 根 ， ， ， 卸 叫 c r o 1 1 t e 2 0 0 k 。 如 q 可 n 怕 卸以 0 r 弘肛陋 叮- 三 八怍 矾 ， 玎 1 2 职 脒阢 酊 町刚 盯 h 嘏 埘 扼 口 h 北 _ 暑 h c c c c c e 秽 e 口 e 咖呦 m 眦 眦， 此沁l l l l r 片d l r， 硕士论文超声波精确测距的研究 d b o - d b 7 x 3 = l ； d q = o ： p u l ld ql o wt os t a r tt i m e s l o t n o p 一0 ： w a i t l u s _ n o p 一0 ： d q = i ：t h e nr e t u r nh a i h n o p 一( ) ： d e l a y1 4 u s n o p 一0 ： n o p _ ( ) ： 一n o p _ ( ) ： 一n o p _ ( ) ： 一n o p 一0 ： 一n o p 一0 ： i f ( d q ) v a l u ei = o x 8 0 ：取样d q 状态 d e l a y ( 2 ) ： w a i tf o rt h er e s to ft i m e s l o t ) r e t u r n ( v a l u e ) ：将寄存器值返回调用处 ) 3 写操作 写操作的任务是将数据或是命令写入温度传感器，让温度传感器执行指令 硕士论文 超声波精确测距的研究 时序图如图4 4 所示。 图4 4 数据或命令写入温度传感器时序图 根据规定时序操作的参考程序如下 v o i dt w r i t e ( u c h a rv a l ) 写温度传感器寄存器 ( u c h a ri ： f o r ( i = 8 ；i o ：i - - ) d q = o ： p u l ld ql o wt os t a r tt i m e s l o t h o p 一0 ： w a i t l u s n o p 一( ) ： d q = v a l o x o l ： 将要发送的一个b i t 送至数据线 d e l a y ( 3 ) ： 等待时间( 6 0 u s 1 ： ) d e l a y ( 1 ) ： 雯主笙奎 塑妻茎堕堕型里堕型塞 4 2 2c p l d 介绍及软件编程 计数模块主要使用了一块x i l i n x 公司的i s p c p l d - x c 9 5 7 2 ，内部集成了一 个2 4 b i t 计数器，计数脉冲采用单片机6 m 晶振，输出为8b i t 数据，分三次输 出。它的主要任务是对单片机的控制信号做出反应。当发射超声波时，单片机 给c p l d 输入一个启动计数的脉冲信号后，内部计数器就开始计数，等到由回波 信号产生的脉冲信号到来时，则结束计数动作，内部的2 4 b i t 计数值再被单片 机读出。 计数控制部分方框图如图4 5 所示，方框图各部分说明如表4 1 所示。确 、! 、 ，i 、 u 2 4 位 二至二卜一型堡竺广 计数器 = 。! ! 7 自、 ! 图4 5 计数控制部分方框图 编号引脚定义说明输入输出 lc l ke x 6 m 晶振信号 i n p u t 2 s t a r t 计数开始信号 i n p u t 3r e c e i v e 来自接收电路 i n p u t 4r e s e t 复位信号( 复位计数器，触发电路) i n p u t 5s a 选择信号o - 7 b i ti n p u t 6 s b 选择信号8 - 1 5 b i t i n p u t 硕士论文超声波精确测距的研究 7 s c 选择信号1 6 2 3 b i t i n p u t 8t f r o m 4 0 k h z 信号( f r o m5 1 ) i n p u t 8 b i t o u t 8 b i t 数据信息( 计数值) o u t p u t 9 s t o p 计数停止信号 o u t p u t 1 0t r a n s 4 0 k h z 发送信号至发送电路 o u t p u t 表4 1 计数控制框图的各部分说明 图4 6 计数仿真波形图 定了该框图之后，决定用c p l d 来实现其功能，根据其规模酗j 3 v 4 ，最后选择了 x i l i n x 公司的x c 9 5 7 2 ，它具有在线可编程功能，所以一旦初期设计上产生误 差，可以再随时改动，免去了不必要的麻烦。在设计实现该部分时，使用了x i l i n x 公司提供的设计软件 1 6 f o u n d a t i o n ，它能支持多种设计方法，我们使用了v h d l 硬件描述语言睁1 来实现其功能。经过程序代码编写、编译、综合后，得到了仿真 波形图如图4 6 所示。 说明：( 1 ) 初始化后，所有口线都呈低电平。 ( 2 ) 在r e s e t 端产生一个高电平脉冲，复位内部计数器和触发器。 ( 3 ) 使s t a r t 端置为高电平，此时，内部计数脉冲通道被打开， 硕士论文超声波精确测距的研究 计数器开始计数。 ( 4 ) 回波脉冲到达后，s t o p 出现一个低电平脉冲，触发器输出被触 发为低电平。计数通道被关闭，计数停止。 ( 5 ) 将s t a r t 拉低。 图4 7 超声波测距系统软件流程图如所示 堡主笙壅 一塑主鎏塑堕塑壁型! ! ! 里 ( 6 ) 外部单片机读取内部计数器值。 至此，编译通过了v h d l 代码，得出了仿真的波形，报告和相应的下载文件， 根据报告配置x c 9 5 7 2 。 4 2 3 系统的调试 超声波测距系统软件流程图如图4 7 所示a 因为系统其他部分己调试成功，这里只需要对温度传感器进行调试。温度传 感器和单片机只有一根数据线相连，调试的思路是：把从温度传感器中得到的数 据显示在l c d 上。温度传感器的操作时序要求较严格，由程序产生的时序和温 度传感器要求的时序严格同步，进行编译仿真，当前温度显示在l c d 上。 该部分调用的函数：u c h a rt r e s e t ( v o i d ) 温度传感器复位函数 u c h a rt r e a d ( v o i d ) 读i ) s 1 8 8 2 0 寄存器数据 v o i dt w r i t e ( u c h a rv a l ) 写温度传感器寄存器 g e t t ( v o i d )取得当前温度值 v o i dd i s t e m ( u c h a rp o s ，u c h a rn u m ) 显示温度数据函数 因为系统其他部分已调试成功，这里只需要对温度传感器进行调试。温度传 感器和单片机只有一根数据线相连，调试的思路是：把从温度传感器中得到的数 4 3 实验结果及分析： 4 3 1 实验结果 表4 2 是利用设计的测距系统进行实际测量的结果。由表中数据可见，由于 厣广_ 广_ 广广_ 广_ 广_ r _ 广_ 匿r r 厂f 厂r 厂r 表4 2 测距系统测量结果 采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对声速进行修正，降低了温度变化对 硕士论文 超声波精确测距的研究 测距精度的影响，大大提高了系统的测量准确度，同时采取c p l d 芯片完成计数 功能，增加了计时稳定性和可靠性。表中数值平均测量误差为s = 0 0 1 1 米。 4 3 2 实验误差分析 引入测量误差的原因主要是指：( 1 ) 超声波速度变化引起的误差，包括空气 温度变化引起的声速变化、空气成分变化、超声波传播途中温度梯度导致测温不 准等。开关门的可靠性是标志超声波测距可靠性的关键，即同步门控制。也就是 说，发射与脉冲计数必须同步开门。( 2 ) 衰减导致的误差，由于超声波在传播途 中受空气热对流扰动、尘埃吸收的影响，回波幅度随传播距离成指数规律衰减， 使得远距离回波很难检测。 4