（电工理论与新技术专业论文）基于atmega8l高精度超声波测距仪的设计.pdf

a bs t r a c t a se c o n o m i es o c i e t y sf a s td e v e l o p m e n ta n dl i v i n gs t a n d a r d s e n h a n c e m e n t , t h e a u t o m o b i l ea r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ei nd a i l yl i f e s od r i v i n gs a f e l yb e c o m et h e p u b l i c 妣l i s ，a n dk e e p i n gc e r t a i nd i s t a n c eb e t w e e n v e h i c l e si se s s e n t i a lm e 嬲u r e dt - 0 r s e c 谢“t h eu l t r a s o n i cr a n g c f i n d e ri sd e v e l o p su n d e rs u c hb a c k g r o u n d h 0 w e v 鸭 a 1 0 n gw i t hi i l d l l s 仃i “t e c h n o l o g y u n c e a s i n gd e v e l o p m e n t ，t r a d i t i o n a l u l t r a s o n i c 珊g e f i n d e rc a r m o tm e e tp e o p l e sn e e db e c a u s eo w n l i m i t a t i o n t h e r e f o r e i tl s i m p e r 加et od e v e l o po n e k i n do fu i t r a s o n i cr a n g e f i n d c ro fh i g ha c c u r a c y , r e a l 。t 蚰e r e s p o n s e ，w e l lm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，s t r o n gc o m m u n i c a t i o na b i l i t y t h i s 枷c l e d e t e 彻i n ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s sa n dm e a s u r e m e n tm e t h o d o fh i g ha c c u r a c y u l t r 乏啜o l l i cd i s t a i l c eb a s e do nt h et r a d i t i o n a la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fu l t r a s o n i c r a n g e f i n d e r 似s 枷c l ec h o s et i m ed i f f e r e n c e 弱t h es y s t e mc o n t r o lm e t h o d ，b a s e do n c o i n p a r i s o no ft h et r a d i t i o n a l m e t h o d a n a l y z e dv a r i o u sf a c t o r st h a ti m p a c to f u 1 懈o n i cp r o p a g a t i o nv e l o c i t yi nt h em e d i u m ，w ed e c i d e dt o c o m p e n s a t et h e t e m p e r a t u r ef o rs i g n i f i c a n ti m p a c t o nt h es y s t e me l t o l t h es y s t e ms e l e c t sa4 0 kh e r t zu l t r a s o n i cw a v ea st h em e a s u n n gt o o l t a k e s a t m e g a 8 l 笛t h em a s t e rc o n t r o lc h i p a d d i t i o ns o m ep e r i p h e r y se l e c t r i c c l r c u l tt 0 恤仃a d i t i o n a lu l t r a s o i l i cr a n g e f i n d e r , w ed i ds o m ei m p r o v e r n e n t i nt r a n s m i t t l n g c i r c u i t r e c e i v i n gc i r c u i ta n dt h em e a s u r e m e n t ，r e a l i z e dr e q u i r e m e n t s o ft h eh i g h a c c l l r a c y ，r e a l t i m er e s p o n s e ，t h ew e l lm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，s t r o n gc o m m u n i c a t i o n a b i l i t y , f a rd i s t a n c e m o r e o v e r , c o n s i d e r e d f i e l do p e r a t i o nf a c t o rw h e nd e s l 乒，w e r e a l i z e dt h ee a s yi n s t a l l a t i o na n dr e l i a b l eo p e r a t i o n t h ep a p e rw i l ls h o wy o ut h ef r a m e w o r kb o t ht h eh a r d w a r ea n dt h es 0 脚a r e 讹锄w ed e s i g n e dt h eh a r d w a r e ，w es t u d i e dt h em a i np a r ts u c ha su l t r a s o n i cn r e d ， u l 懈o n i cr e c e i v e rs i g n a lp r o c e s s i n g ， m i c r o p r o c e s s o rs y s t e m s ， a n dd a t a c o n 仰l l l l i c a t i o n s p e c i a l l y , a tt h er e c e i v i n ga m p l i f i c a t i o nc i r c u i t ，w en o to n l yd i d s o m em a l l l e m a t i c a l 锄a _ l y s i si nd e s i g n ，b u ta l s om a d e t h es i m u l a t i o ni np r o t u e s t h i s c a ns a v ec o s t s ，r e d u c ed e v e l o p m e n tc y c l e i nt h es o f t w a r ed e s i g n ，w eu s e dm o d u l a r 武汉理工大学硕士论文 d e s i g n , a n df i l t e r i n ga l g o r i t h m t ot h et e m p e r a t u r ea n df i n a ld i s t a n c ec o m p u t a t i o n f i n a l l y , w em a d eac o n c l u s i o na n ds u m m a r yt ot h ew h o l ed e s i g no ft h ed e s i g n o fa c c u r a c yu l t r a s o n i cw a v ed i s t a n c eg a u g eb a s e do na t m e g a 8 1 a n dt of i n dw a y st o r e d u c ee r r o r s ，w ea n a l y z e da l lf a c t o r st h a ti m p a c t e ds y s t e me r r o r s t h ep a p e r s g e n e r a l l ym e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：u l t r a s o n i cw a v e ，t h et r a n s i tt i m e ，t h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，h i 。曲p a s s f i l t e r , d i s c h a r g i n g r e s i s t o r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：酗五日期：鲨f ：二圭二3 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此掘定) 研究生c ：知c 捌：季獬日期2 啪一s 一3 1 j 武汉理工大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着我国经济社会的快速发展，人民生活水平的提高，汽车在家庭生活中 也越来越多，而汽车的数量的大幅增加，造成道路拥堵，交通事故频发，给人们 的生命和财产带来了巨大的损失。安全驾驶成为公众关注的焦点，而保持一定 的车距为必要安全措施之一。目前，测量车距的方法有超声波、雷达、摄像、 激光等测距。而在这四种方法中，超声波测距由于不受光线、电磁波、被测物 的颜色等因素的影响，加之信息处理简单、成本低、速度快、使用方便等优点， 所以被广泛应用。 以上所述只是超声波测距在日常生活中的一个小的应用，丽事实上，超声 波广泛于非接触式测量。超声波是声波的一种，声波是物体机械振动状态的传 播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如， 鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播， 这便是声波。超声波是指振动频率大于2 0 k h z 以上的声波。人在自然环境是无 法听到和感受到的超声波的。超声波的特点有：传播时，方向性强，能量易于 集中：能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离：超声与传声媒质的 相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息；具有频率高、波长短、绕 射现象小、能够成为射线而定向传播、在检测目标是非接触式检测等。 由于超声波有以上优点，所以被广泛应用在工业定位监测、无损伤探测、 医疗诊断、移动机器人、海洋捕捞、煤炭检测等领域。因此，人们对超声波的 研究也越来越深入。超声波测距也是在这样的大背景下发展起来。 超声波测距是利用超声波的波长短，指向性强，能量集中，在介质中传播 距离较远的特点来实现对距离的测量。特别是频率在4 0 k 赫兹的超声波在空气 中传播效果最佳，因此常用此频率的超声波来检验介质的检测距离。超声波测 武汉理工大学硕士论文 距在工业现场、车辆导航、水声工程等领域都具有广泛的应用价值，目前已应 用于物位测量、机器人自动导航以及空气中与水下的目标探测、识别、定位等 场合。特别是在易挥发、易燃、易爆、强腐蚀性等工作环境的恶劣的情况下， 超声波测距有巨大的用武之地，因此在市场上有多种多样超声波测距仪器。可 以说，随着经济的不断发展，超声波测距仪器的应用将越来越广泛。 1 2 超声波测距仪器的现状及不足 种类繁多的超声波测距仪器用于各种各样的工业和民用场合，给人们的生 产和生活带来很大的帮助。在内部电路方面，不同种类的超声波测距仪器其内 部的电路也有很大的不同。 传统的超声波测距仪器是使用模拟电路实现的，其具有性能稳定，可靠性 高，测量精度相对较好；响应时间短、可实现无滞后操作；非接触测量，对液 体的物理化学性质的适应性极强，不怕酸碱性液体的腐蚀等特点。 然而，随着工业技术的不断发展，传统的超声波测距仪器已经不能满足人 们的需求。传统的超声波测距仪器虽然有以上优点，但是有的测量距离太短， 达不到测距的要求；有的虽然测量的距离长，但是精度不高；有的虽然精度和 测距都有提高，但是电路复杂，技术难度大，不易调试等。因此研制一种高精 度的、能够进行实时响应的、人机接口良好的、通讯能力强的超声波测距仪器 已迫在眉睫。 1 3 课题提出研究的意义 通过近一年的查阅国内外相关文献和调查超声波测距现状及结合自己多年 的学习经验了解到：随着超声波技术的推广，传感器技术的革新，单片机技术 的成熟，计算机控制系统的日臻完善和智能控制的长足发展等，用微处理器作 为控制核心而研制开发的超声波测距仪器能够很好的满足解决这个问题。 1 测量精度：测量精度取决于传感器控制芯片的计数频率和控制算法，通 2 武汉理工大学硕士论文 过改变计数频率和优化算法，可提高传感器的测量精度。又因为超声波的传播 速度受温度的影响而改变，可通过温度补偿来提高传感器的测量精度。 2 具有强大的通讯能力：用单片很容易的实现单片机与上位机的通讯，而 且还可以添加数模转化，使其可以输入4 , - , 2 0 m a 的标准工业信号，方便产品的 应用和推广。 3 具有自诊断能力：可以通过软件设定实现自诊断能力，当系统发生超时 检测时会自动的处理。 “基于a t m e g a 8 l 高精度超声波测距仪”这一研究，就是基于此而提出的，具 有较强的理论研究和实际应用价值。本设计在导师的精心指导下进行的，能使 自己的理论知识应用于实践当中，提高自己的科研水平和动手能力。 1 4 系统设计要求及主要研究成果 本设计要求设计出一种超声波测距仪器。系统选用超声波作为测量介质，利 用超声波的回波时间差设计出一种操作方便、通讯功能强大，成本低廉，精度 高、便于携带的超声波测距仪器。 处理器要求使用一种单片机，具有看门狗自动复位；精度控制上要求有温度 补偿、软件优化算法、及现场数据整定等处理。 数据输送方面要求有数码管直接显示、4 , - , 2 0 m a 的标准工业电流输出信号和 r s 4 8 5 传输。 在系统设计时考虑到现场情况，便于携带、安装、和操作要求供电电压为 1 2 v ，而且需要考虑传感器的外观等因素。 在选择超声波探头时采用防水型设计，能够克服各种复杂环境及恶劣天气等 因素的影响，同时要求发射功率大，驱动能力强，接受信号灵敏，最大检测距 离可达2 0 m ，盲区在0 6 m 左右。 软件设计时要求系统有自诊断能力，系统的适应能力强，另外在设计时，要 求系统可与上位机进行通讯，可将现场的数据信息发送至上位机。数据信息包 3 武汉理工大学硕士论文 括测量的实际距离和温度信息。并设有报警信息，当数据达到一定的限度时， 系统能自动报警。 超声波液位计的性能设计要求 ( 1 ) 测量范围要求0 - , - 1 5 m ( 2 ) 过电压保护 ( 3 ) 精度要求在1 5 左右 ( 4 ) 显示方式为七段数码管显示 ( 5 )具有温度补偿特性具有通信能力和4 - - , 2 0 m a 的电流 ( 6 ) 输出一体化设计，抗干扰能力强，成本低 ( 7 ) 具有现场控制功能，反应速度快 传感器的外部接口结构如图所示： 图1 1 传感器的外部接口图 4 武汉理工大学硕士论文 第2 章系统总体设计 系统总体设计的主要功能是按照设计要求设计出一种新型超声波测距传感 器。通过对超声波的原理分析，研究分析目前的超声波测距的实现方法，通过 全面的系统分析比较，选择一种较好测距方案，进而指导传感器的硬件和软件 设计。 2 1 系统的原理 超声波是声波中的一种。声波按照其频率可分为次声波和超声波。次声波 是指频率在2 0 k h z 以下的声波，其中频率在2 0 - - - 2 0 k z 的次声波是人们所能听到 的，也称为可听声波。超声波是指频率在2 0 k h z 以上的声波，是一种只有少数 动物才能感知的机械波，其特点是波长小，绕射小，定向型号。超声波的传播 为直线传播，其频率越高，绕射能力越弱，反射能力越弱。 超声波探头的原理就是物质的压电效应。将一定幅值的交变电压加至压电 晶片的银层，使面积相同、间隔距离一定的两块金属极板分别带上等量的异种 电荷，这两块金属极板就形成电场，有电场就存在电场力。压电晶片处在电场 中，在电场力的作用下发生形变。压电晶片在交变电场力的作用下，发生往复 的变形、振动，这就生成了超声波，这个过程称为逆压电效应，也是发射超声 波的过程。发射出去的超声波，一部分在空气中衰减掉了，一部分沿原路返回， 由于超声波具有一定的能量，再作用到压电晶体上，使压电晶体在交变拉、压 力作用下产生共振，进而产生交变电场，这种效应称为正压电效应，是接收超 声波的过程。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 超声波测距就是基于此原理而发展起来的。在超声波探头上加上定频率 的正弦波电压信号，超声波探头将此正弦信号转化成与此对应频率的超声波发 射出去，此时开始计时。超声波遇到障碍物时会反射一部分回来。超声波探头 武汉理工大学硕士论文 又将此回波转化成相同频率的弱电信号，以供进一步的数据处理。此时计时停 止。测得的超声波在介质中的传输时间为t 。又因为超声波在空气中的传播速度 为3 4 0 m s ，由此可算得发射点到目标的距离l = ( 3 4 0 t 2 ) m 。其测距原理图如 下。 目 标 物 2 2 测距方案的选择 图2 - 1 超声波测距原理 目前，市场上的超声波测距仪器种类繁多，但是超声波测距的方案总归下 来有已下几种： 目前，市场上的超声波测距仪器种类繁多，但是超声波测距的方案总归下 来有已下几种： 1 相位检测法 相位发检测法可分为两种：一种方法是通过发射不同频率的超声波来实现 的。首先，发射一束波长为a 的超声波。检测到回波的相位为仍。设经过的波 周期数所。则可求的目标物体的距离为： l = ( 肌+ 是) 五 z 万 同样可以得到第二束波形的测距计算公式为： 己= ( ，z + 黑) 五 z 万 其中：仍为第二束波的相位角，五为波长，行为波的周期数。 武汉理工大学硕士论文 又因为m 和n 都为正数。同时再进行时间补偿的算法，可精确求的目标距离 的值。 然而由于超声波探头为固定的频率，倘若改变频率，系统的衰减比较大， 需要两套信号检测电路，实施的难度大，不宜采用。 另一种方法是通过单一的超声波探头进行相位检测法检测，此种方法是待 测距离在一个周期以内使用，如过选用4 0 k h z 的超声波作为介质，一个周期对 应的检测距离为i _ , - - 3 4 0 0 0 0 0 0 2 5 = 0 0 0 8 5 ( m ) - - 8 5 m m ，显然，此种方法的精确 度很高，但是由于最远只能检测8 5 m m ，显然达不到系统设计的要求。 2 幅值检测法 幅值检测法就是先发射固定频率的超声波，然后使用反射或者对射法检测 接收到的超声波的脉冲强度，根据超声波回波衰减理论，对回波脉冲强度的进 行分析，进而求得目标距离。然而由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含 量不同，衰减系数也不一样，其精度和稳定性受到很大的限制。所以此种方法 不适合本系统的应用。 3 越时间法 渡越时间是指从传感器发射超声波出去开始计时，经过气体介质传播，到 传感器接收到回波时计时停止。由于在一定的环境下，温度是不会变化的，或 者变化缓慢，可近似为常数，此时声速是不变化的。因此可以通过检测渡越时 间，结合现场的声速，进而求的传感器与目标之间的距离。 渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。此系统设计选用此方法。但是 由于气体介质对声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减。 超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。另一方便面超声波的最大检 测距离与传感器的发射功率和电路的放大倍数有关。发射功率越大，电路的放 大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。因此可以通过提高放 大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。此外超声波在空气中 的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿。而温度补偿在软件 7 武汉理工大学硕士论文 和硬件上也很容易实现。 2 3 声波在空气中的传播 如前所述，本系统是根据超声波的速度与传播时间的成绩来确定距离的。 那么超声波的传播速度与介质的物理特性有没有关系哪? 如果有关系，与那些 因素关系密切? 在介质中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和 扩张的弹性模量，在气体反抗压缩变化力的作用下，实现超声波在介质中传播。 因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响，即： 厢 c - 、万 其中b 为气体的弹性模量，p 为气体的密度。气体弹性模量，由理想气体的 压缩特性可得：b = r , o 。其中r 为定压热容与定容热容的比值，空气为1 4 0 ，p 为气体的压强。又因为气体的压强为： r t r t p p = 一= o vm 上面的式中r 为常量8 3 1 4 k g m o l ，t 为气体温度( 绝对温度k ) ，m 为气体 子量，空气为2 8 8 x l ok g m 。所以可得： 丽 仁、百 上面的公式可知，超声波声速与介质的温度、分子量、定压热容与定容热容 的比值有密切关系。又因为，在空气中分子量、定压热容与定容热容的比值为 定值。因此，超声波的声速与空气温度有密切关系，温度越高，超声波的速度 越快。事实上，经查表得到各种温度下的超声波声速，这也印证了上述理论结 果。 武汉理工大学硕士论文 表2 1 各种下表温度超声波声速 温度。c 3 02 01 001 02 03 04 05 0 声速m c3 1 3 3 1 93 2 53 2 33 3 83 4 43 4 93 5 53 6 1 从上表中可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。对表 中的数据进行线性拟合可得： c = 3 31 5 + 0 6 0 7 t 式中c 为超声波在空气中的传播速度，单位耐，t 为空气的温度，单位为 。因此要提搞超声波的精确度，必须考虑温度的影响，对温度进行补偿。 2 4 系统的总体设计 设计要求采用单片机及其外围元器件，以超声波为测距工具设计一套测距 仪器。因此，本次设计采用单片机作为核心控制器，并用其发射4 0 k 赫兹的脉 冲信号，由于此脉冲信号的幅值小，驱动能力有限，而且为方波信号，因此需 对此信号进行放大、增幅才可以加之超声波探头发射出去。在超声波探头的接 收端，由于其接收到的是衰减很大的超声波信号，转换成电压只有几m a ，而且 还夹杂有噪声干扰，因此，首相需要对信号进行选频放大，再经过二阶滤波放 大、整形和检波方可被单片机接受。在单片机对数据进行处理以后，并不能直 接看到、应用，因此这里加了数码管显示和通讯等。 另外，根据设计的需要，增添了温度补偿的温度检测模块、显示电路、和 数模转换模块。系统控制总体框图如图1 1 所示。 单片机 图2 - 1 系统总体框图 9 武汉理工大学硕士论文 2 5 硬件选型 在对超声波测距的原理讨论之后，需要按照各个主要原件的参数计算进而 对各个器件型号选择。 2 5 1 超声波探头的选择 超声波从传感器发射出去，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超 声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。设在距 离超声接收器l 处有被测物，则任一时刻其波动方程描述为： a = a ( x ) c o s ( c o t + k t ) = 4 , e 戤c o s ( 仞t + 励) 其中a 为超声波任一时刻的振幅；为超声传感器初始振幅；a 为衰减系 数；) c 为超声波传播距离；国角频率；k 为波数。衰减系数口_ b 宰f 2 。其中b 为空 气介质常数，f 为超声波的频率。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快。同 时频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高， 指向性越强，这一点有利于距离测量。 基于以上分析需要选择指向性强的、发射驱动能力强的超声波探头。超声 波探头可分为发射探头、接受探头和收发一体型探头。电路设计可采用单探头 设计和双探头设计。采用双探头( 即一个发射探头，一个接受探头) 设计时， 电路易于实现，检测距离较远( 可采用特殊型号的超声波发射探头) ，盲区较小 等优点。但是计算公式却不容易实现，而且电路较为复杂，出了故障也不容易 调试。这里用收发一体型的单探头设计。其优点是，可以通过改变发射功率的 放大倍数来改变检测较远的距离，而且电路简单，计算公式软件易于实现。由 于采用单探头，容易进行故障检测。这里我们选择了深圳市金瓷科技有限公司 的n u 4 0 d 2 2 t r - 1 收发一体的超声波探头。此探头采用防水性设计，其工业尺寸 和发射特性如图所示。 1 0 武汉理工大学硕士论文 a 微外目；# * 0 b 超j 被择* 角度_ 夏敏废自缉 c 镕* 觥 图2 - 2 超声波探头及其发射特性图 有上面的图可知，也验证了超声波具有指向性好等特点。其具体的特性和参 数如下表所示： 表2 - 2 超声波探头参数表 中心频率c e n t e rf r e q u e n c y c r o t z ) 4 00 k h z 士l a i z 发射声压级 1 0 0 m i n ( 0 d b 2 00 2 m p 幻 t r a n s m i t t i n g s o u n d p r e s s u r e l e v e l ( r i b ) 回波灵敏度r e c e i v es e n s i t i v e ( r i b ) - 6 8 m i n ( 0 d b 2 1 v i t b a r ) 波束角度6 d bd i r e c t i v i t y ( 0 c g ) 5 0 。 余振r i n g i n g s 1 2 m s 功能f u n c t i o n接收* r e c e i v e 电容c a p a c i t a n c e 缸f ) 2 2 0 0 2 5 允许输入电压 1 5 0 ( 4 0 k h z ) a l l o w a b l e a _ l p u t v o l t a g e ( v p - p ) 使用温度o p e t a t i n g t e m p e r a t u r e ( ) - 4 0 8 0 存储温度s t o r a g e t e m p e r a t u r e ( )_ 4 0 一8 5 容器材料m e t a l so f c a s e铝+ a i u m i n u m 端子t e r m i n a lp 酣 重量w e i g h t ( g ) 06 9 从表中可得超声波探头的中心频率为4 0 k 赫兹，其最大的输入电压为1 5 0 v 武汉理工大学硕士论文 环境温度范围在一4 0 - - 一8 0 4 c 之间等，结合所要研制的超声波测距的特点，选用此 传感器十分合理。余振1 2 m s ，也就是因为探头所产生的盲区小于等于0 4 0 8 m 。 2 5 2 单片机选择 单片机是系统软件的载体，是控制系统的核心。因此其性能将直接影响系 统的稳定性。选择好的单片机不仅关系到系统的精度、稳定性，而且还有利于 减少系统成本。根据系统设计的要求以及总体设计思路对所选择的单片机要求 进行进一步的概括。 系统最少需要3 个定时器，一个为发射4 0 k 赫兹的超声波需要，一个为计 算渡越时间，另一个为系统延时用。最少需要2 个外部中断，一个为接受超声 波信号外部中断用，一个为检测系统电压中断用。至少需要一个参看电压为l v 的a d c ，供检测温度传感器感测的温度信号使用。一个串行通行口，供与上位 机用。最少需要1 5 个i o 口，供显示电路和控制电路用。另外还需要有看门狗， 非易失性程序及数据存储器等。因此这里采用了a t m e g a 8 1 作为主控单片机。 a t m e g a 8 1 有如下特点：三个具有比较模式的定时器计数器( t c ) ，片内有 2 0 路中断，其中有2 路外部中断，8 路1 0 位的a d c ，参考电压可以改变，3 2 个通用i o 口，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，8 k 字节的系统内可编 程f l a s h ，5 1 2 字节e e p r o m ，1 k 字节s r a m 。 另外通过将8 位r i s cc p u 与系统内可编程的f l a s h 集成在一个芯片内， 使a t m e g a 8 1 成为一个功能强大的单片机，使其不仅能够满足要求，而且为系统 控制提供了灵活而低成本的解决方案。 2 5 3 放大器的选择 超声波探头将接收到超声波信号转化成只有几毫安的电压信号，因此要对 其进行放大滤波。选择合适的运算放大器，对于系统的性能至关重要。在选择 运算放大器时，除了要考虑其放大倍数，还要考虑器件的转移速度( s 。，s l e w 1 2 武汉理工大学硕士论立 r a t e ) 。通过计算可得这里需要的放大器的s ，为8 v s 。这里选用l f 3 4 7 作为 核心运放器件。 l f 3 4 7 是美国国家半导体公司推出的有源放大器，片内硬件由四个运算放 大器。每两个运算放大器可以构成一个二阶滤波放大电路，放大倍数都由外部 电阻确定。通过外接电阻、电容等元件组合形式可咀实现巴特沃思，切比雪夫， 贝赛尔型的低通，带通滤波器等。 l f 3 4 7 不仅使用方便而且其噪声低、频带宽、其共模抑制比x j m = 1 0 0 d b 。 电源电压抑制比r 册= 1 0 0 d b 较小，输入偏置电压= l o m v ，输入偏置电流 厶。= 4 h a ，与同类产品相比，性能根优越。另外具有高达1 3 9 , u s 的转移速率 ( s 。) ，因而工作性能较好，能够满足系统的需要，并且价格适宜，便于成本控制。 2 5 4 检波器件的选择 考虑到系统设计对传感器的灵敏度 要求很高。这里选用美国国家半导体公司 生产的l m 5 6 7 作为第三级信号处理电路 的主要芯片。 l m 5 6 7 为通用锁相环电路音调译码 器，其的内部电路及详细工作过程非常复 杂。这里只做简单的概述。其内部包含有 相位检测器、直角相移检波器、自增益放 图2 - 3l m 5 6 7 内部原理图大器、和可控电流振荡器。具有十分稳定 的中心频率检测功能。此外，将其应用于超声波检测电路时还具有抗假信号的 功能。内部电路原理如图所示。其基本功能概述如下( 这里只介绍用到的功能) ： 当l m 5 6 7 的脚输入幅度 _ 2 5 m v 、频率在其带宽内的信号时， 脚由高电平变 成低电平。其工作电压为47 5 9 v ，静态工作电流只有8 m a ，功耗比较低，适 合系统的要求。 武汉理工大学硕士论文 2 5 5 温度传感器选择 如前所述，环境温度与超声波的传播速度有密切的关系。因此选择合适的 温度传感器对提高系统的设计的精度、稳定性有这重要的作用。通过查找各种 资料、比较，我们选用美国国家半导体公司生产的l m 3 5 作为温度传感器。其 主要特点有： l 使用方便。由于单片机内部有自带的参考电压可调的a d c ，在使用时 l m 3 5 ，不需要加其他放大电路就可以将其直接接入单片机的a d c 口。使用起 来很方便。 2 精度能够达到要求。l m 3 5 在不需要增加其他外部校准处理即可达到 0 2 5 c 的精度。按照公式计算，测量距离的精度可达l = 0 2 5 * 0 6 0 7 = o t 5 ( m ) 。 另外，在温度采集时通过软件优化算法，可进一步的提高测量温度的精度。 本章小结 本章通过对超声波测距原理的分析，对目前市场上超声波测距仪器的测距 方案进行比较，提出了设计的总体方案和测距原理。在总体设计方案的指导下， 对各个电路的主要器件进行了比较选择。为下一步的硬件设计提供了理论和物 质基础。 1 4 武汉理工大学硕士论文 第3 章硬件电路的设计 根据系统的总体设计，硬件电路包括超声波的发射电路，接收电路，温度 补偿电路，以及系统的显示电路和通讯电路。 3 1 超声波发射电路设计 超声波发射电路包括信号产生电路和驱动电路。信号的产生是有单片机发 出8 个4 0 k 赫兹的脉冲串。从单片机的p b 0 口输出的4 0 k 赫兹的脉冲信号，电 压只有3 3 v ，而且功率很低，并不能直接驱动超声波探头发射超声波，因此需 要加一个功率放大电路将脉冲信号功率放大，然后送至超声波探头，驱动其发 出频率相同的超声波。又因为，超声波探头的驱动信号最好为正弦波，因此超 声波发射电路的主要作用是将功率很低的脉冲信号变送为功率高的正弦波信 号。图为发射电路。i m p 为单片出来脉冲信号。r e c i v e 接超声 二 图3 1 超声波发射电路图 波探头。电容c 2 7 的作用是为系统提供稳定的电源。当脉冲为低电平时，电源给 c 2 7 充电，当脉冲为边高电平时c 2 7 为释放电能。电容c 2 6 为滤除电路中的高 次谐波。变压器的原边与电容c 1 构成了简单的震荡电路，产生正弦波信号。当 武汉理工大学硕士论文 i m p 端停止发射脉冲，此时超声波发射理应停止。但是由于变压器原边和电容 c 1 内部还储存有电能，震荡电路继续存在，并将维持段时间。此现象也叫“拖 尾”现象。“拖尾”现象的存在，使得接受超声波时存在串扰现象，增大了系统的 盲区。因此，在系统设计时，使得此衰减震荡越快越好。为此，我们在c l 的两 端并联一个电阻r 2 ，作用是在停止脉冲发射时，使震荡电路更快的衰减。因此 这里称作傲电电阻”。在这里要提醒的是r 2 的阻值不能过大也不能太小。太大 了起不到放电的作用，太小了影响震荡回路的性能。另外，在设计电路是，不 要使电容c 和变压器的原边构成并联谐振了，这样会在电容的两端产生根高的 电压，影响器件的性能。通过对电路的仿真，选定各个元器件的参数。如图为 超声波的仿真电路。 图3 - 2 超声波发射电路仿真图 武汉理工大学硕士论文 图3 - 3 变压器原边仿真波形图3 _ 4 变压器副边仿真波形 变压器的原边的电压按照一定的倍数放大后加之超声波探头，由于超声波 探头的等效阻抗很大，所以在仿真的时候用一个太的电阻代替。上图为其仿真 的波形。 从示波器观察实物中变压器副边的峰峰值可以达到i o o v 。达到了理想效 果。如果为了得到峰峰值更大的波形，可以通过改变变压器副边与原边的匝数 比的方法实现。 另外，由于超声波搛头的内阻很大，使得变压器副变的电流很小。因此发 射电路的功率也就不高。 3 1 2 超声波接受电路电路设计 传感器接受到传回来的超声波后，将此回波转化成振幅为l m v 1 v 的正弦 波电压信号。很显然此电压信号并不能直接被单片机使用，需要经过放大偏置 以后方可使用。这里采用了四运放的美国国家半导体公司生产的l f 3 4 7 作为运 放器件。在这里用两个交流运算放大器组成两级放大。器放大倍数可达到3 0 0 0 倍。另外接收放大单元的作用是除了对信号进行放大，还有抻制其它的噪声和 干扰，从而达到最大信噪比。 信号经过放大以后，其电压往往是一个振幅不确定的正弦信号，因此需对 放大后的波形进行偏置整形，之后收入到检波电路进行检波。然后将检波的信 武汉理工大学硕士论文 号输入到单片机，供单片机进一步处理。 3 2 1 前置同相选频放大电路 因为要将超声波探头微弱的信号完整的读进来，因此在前置放大电路里， 要进行高的输入阻抗设计，考虑到超声波探头的阻抗很高，所以在这里选用同 相位交流放大电路。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。环境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。而且内部会产生一个与有用信号频率基本相同，只有幅值 不同的信号，可以使用一些特殊的电路将其隔离。这这里用一个l c 并联选频电 路，来增加系统的干扰能力，根据公式可求得选频的中心频率。 其公式为= 了焉f = 2 万五，可以通过修改l 1 和c 2 2 的参数使得其选频 吖上1 0 2 2 的中心频率为4 0 k 赫兹。 标称值是3 3 3 实际值是3 6 2 原值3 7 1i 小 图3 5 接受选频放大电路图 为了确定电路中的各项数据，我们设定第一级放大电路的放大倍数为6 0 ， 武汉理工大学硕士论文 根据运算放大蝴的计算魑可以根据其放大倍鼽卧- ，进耐黜各 个参数的理论值。为了能够节约成本、减少调试的时间，在这里用p r o t e u s 按照 要求进行了电路仿真。通过仿真可以进一步的确定数据参数。 圈3 - 6 选频放大电路仿真图 图3 7 输入信号仿真波形图3 - 8 输入信号放大波形圈 上面的仿真结果为输入为1 0 m a 的正弦波信号输入，输出端为2 0 0 m a 的正 弦波电压信号。在频率为4 0 k 赫兹时，放大效果很好，当改变仿真输入频率时， 其输出地波形只有在4 0 k 附近的为正弦波，而且放大倍数明显降低。而在2 0 k 赫兹以下和6 0 k 赫兹以上，仿真的结果为一直线。仿真结果说明，此电路的选 频效果很好，也达到了放大倍数的要求。 武汉理工大学硕士论文 在实际应用中，按照仿真的数据设计，效果很好。另外，考虑到该电路的前 置放大电路，在实际应用中为了减少噪声的干扰，用金属外壳将其屏蔽起来。 3 2 2 二阶高通滤波放大电路 在前置放大电路中，已经对电路进行了放大和选频，但是由于放大倍数有 限，还是不能被后面的电路使用，因此需对其进行进一步放大。又因为，在现 实的生活中，噪声主要来自与次声波，也即2 0 k 赫兹一下的声波干扰。所以要 对这段的干扰尽心进一步的滤波。所以这里采用了二阶高通滤波放大电路。 一般的二阶滤波需要两个放大器，并且需要电容、电阻元件较多。这里采用了 多路负反馈放大电路。此电路的优点是只需要3 个电阻和2 个电容。其电路图 如图所示。 c 2 3 皿d 拂黼鲶m r 2 5 | | 原2 4 k 实际2 8 k o 1 1 f n一 二阶输 d pi f 3 4 7 = c 2 4 pt著| 1 7 5 n 图3 - 9 二阶高通滤波放大电路图 根据电路的特性，可以求得二阶高通滤波电路的计算公式： 1 r ( s ) = 万耍互r = 2 5 c 2 4 匠 r a c k c 2 ，心，r ，恐。g 4 q ， 武汉理t 大学硕十论文 铲巧p 6 2 丽而赢1 式帆翰表示并联q = ：，上面的公式 中，为了求得各个参数的值，取c ”。c “2 c ，当r ：s “r ：，时，可得2 如2 j ；壶 r * = 主；。取放大倍数为5 。，f o = 4 0 k 赫兹。可一次求得系统中各个元件的理 论值。 同样，也对这一部分的电路进行了仿真。 图3 1 0 二阶高通滤波放大仿真图 穗 武汉理工大学硕士论文 图3 - 1 1 二阶高通滤波放大仿真波形图 在仿真的过程中，对电路的各个参数进一步做了修改，并确定了各个参数 的值。从仿真的结果上看，系统达到了仿真效果。 3 2 3 第三级加法整形电路的设计 在前面超声波的发射电路已经讲过，发射电路存在拖尾”现象，虽然我们在 前面的电路中也已经采取了办法，使得“拖尾吼象更快的消除。但是，并不能从 根本上消除拖尾”现象。 超声波系统工作时，钝尾 现象所产生的一部分超声波信号未经发射出去就直 接绕射到超声波的接受电路中，造成发送部分与接受部分的直接串抗问题。解决这 一干扰问题通常是通过软件延时操作来实现的。 然而，虽然用软件延时的方法可以解决绕射问题，但是这样做使得超声波测距 仪器的盲区增大，达不到系统设计的要求。常见的超声波测距仪器的盲区一般在 2 0 5 0 c m ，币具备高精度的测距仪器的条件。 园此这里用硬件电路对其进行修正消除。由于超声波信号是以脉冲的形式发 送出去的，同时“拖尾”现象所产生的串扰信号也几乎与发射脉冲同步的信号，这就 为处理串扰信号提供了思路。此部分处理电路如图3 1 2 所示 武汉理工大学硕士论文 = 图3 1 2 加法整形电路硬件原理图 原理是：首先将由单片机直接产生的发射信号经过处理、低通滤波产生与窜 绕信号同步、与发射脉冲总宽度同宽的脉冲；然后再与前两级处理过的接受信号 作加发运算。当信号窜绕到接收回路时，其经过前两级的放大滤波已经可以用示波 器观察到窜绕信号放大后的波形，发现其正好与发射波形同步，经过与该修正信号 作加法运算后，这一段4 0 k h z 的波形就被顶到运算放大器的线性区之外了，从而屏蔽 了这段信号。由于后一级的信号处理采用耦合输入，此段的波形的凸起不会对中 断信号的产生引起干扰。 另外一方面，我们可以通过示波器辅助观察，调节r