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青岛科技大学本科毕业设计（论文）1前言1.1课题背景超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，这都影响了超声波测距的精度。一是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差；二是超声波脉冲回波在接收过程中被极大地展宽，影响了测距的分辨率，尤其是对近距离的测量造成较大的影响。其他还有一些因素，诸如环境温度、风速等也会对测量造成一定的影响，这些因素都限制了超声波测距在一些对测量精度要求较高的场合的应用，如何解决这些问题，提高超声波测距的精度，具有较大的现实意义。1.2概论本课题主要内容是设计一个超声波测距系统,由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物的实际距离。课题研究方案是根据设计要求并综合各方面因素，采用单片机作为主控制器，控制超声波的接收和发射，并用LCD数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，本论文主要分为四部分。第一部分对声波行业背景和本设计总体框架进行了简要介绍；第二部分介绍超声波测距的原理；第三部分详细介绍了该系统的硬件电路设计，包括各元器件的选型、应用电路原理及设计等；第四部分则对系统各个模块的软件设计进行详细介绍，包括底层驱动和应用程序；第五部分是系统调试，通过调试发现不足进而改善系统。2 超声波测距系统的工作原理2.1 超声波概述声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。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。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz)的声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。声速是随着介质及其状态(如温度)的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为334m/s，在水中的声速约为1440m/s，而在钢铁中约为5000m/s。除水以外，大部分液体的声速随温度的升高而增加。流体中的声速随压力的增加而增加。声速与介质的许多特性有关，有的关系非常直接，可有精确的理论公式，有的关系比较间接而复杂，但在特定条件下，也可建立一些经验公式，例如介质的成分、混合物的比例、溶液的浓度、某些液体的比重等，都可以与声速建立一定关系，这样就可以通过声速来测定这些特性参数。由于介质的温度、压强和流速等状态参量的变化都会引起响应的声速变化，因此出现了超声温度计和超声流量计等。在声速已知的介质中，可以利用声波传播距离L和传播时间t的关系L=vt，进行超声测距，超声液位计和超声测厚计就是这方面的典型应用。声阻抗是当声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分超声波被反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。由物理学可知，当波在界面上产生反射时，入射角的正弦之比等于波速之比，当入射波和反射波的波型相同时，波速相同，入射角度等于反射角。当波在界面处生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速与折射波在第二介质中的波速之比。超声波在两种介质的界面上的反射能量和透射能量的变化，取决于这两种介质的声阻抗之比。声阻抗定义为传声介质的密度与声速c的乘积，用Z表示。它是介质固有的一个常数，它的数值对超声波在介质中的传播非常重要，单位为瑞利(rayl)。超声波在弹性介质中传播时，会发生能量的衰减，其产生原因可分为三个方面:(1)由于波前的扩展而产生的能量损失；(2)超声波在介质中的散射而产生的能量损失，即散射衰减；(3)由于介质内耗所产生的吸收衰减。2.2 压电式超声波传感器原理及特性为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。压电式超声波传感器如图2-1所示。压电晶片共振板电极图2-1 超声波传感器结构图Fig.2-1 ultrasonic sensor structure压电式超声传感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应1。逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，品体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。正压电效应是指当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收换能器。超声波传感器的基本特性分为频率特性和指向特性。1、频率特性图2-2是超声波的频率特性曲线。图中，f0为超声波发射器的中心频率 ，在f0处，超声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在f0处所产生的超声波声压能级最高。而在f0两侧，声压能级迅速减小。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的f0的交流电压来激励。由图知，f0为中心频率，曲线在f0处最尖锐，输出电信号的幅度最大，信号f0处接收灵敏度最高。因此超声波接收器具有很好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系，如果R很大，（如大于100K）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，（如小于10K）频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽，同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动。因此，超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。12011010080700灵敏度KHZf=40KHZ图2-2 超声波发射传感器的发射频率特性Fig.2-2 ultrasonic emission sensor transmitting frequency characteristics2、指向特性 实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片，可以把表面上每个点看成1个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果（衍射），却有指向性。指向特性用指向图表示。下图2-4就是超声波传感器的指向图。超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是=0声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声波传感器的指向角一般为40度80度。超声波传感器指向特性图如图2-3所示。图2-3 超声波传感器指向特性图Fig.2-3 ultrasonic directional property2.3 超声波测距2.3.1 超声测距原理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，即公式（2.3.1），L = vt/2 (2.3.1)在上式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为往返时间。若要求测距误差小于0.lm，已知声速v=344m/s(20时)。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。对超声波传播时间的测量可以归结到对超声波回波前沿的检测。目前使用的方法有信号过零检测，包络检测和脉冲检测等方法。本文主要用的是脉冲检测法它是一种对有回波信号经检测电路产生的脉冲进行检测的方法。这种方法实现起来较包络检测方便，电路实现简单，精度也较高。实现的方法是当回波信号经放大处理后，进入比较器，调整好合适的阂值在比较器的输出端就会产生40kHz的方波。利用查询或者中断的方法便可以检测出这些脉冲，便于测量出发射到接收到脉冲的时间。2.3.2 超声波测量中盲区及近限和远限用往返时间检测法测量距离时，障碍物与超声波传感器间的距离既不能太远也不能太近，存在着距离测量的近限和远限5。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限存在的原因。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨出来，这是近限存在的原因。在使用一个探头同时充当发射和接收的情况下，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长的时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量，同时，探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近处的液面反射信号也达不到限幅电路的限幅电平。当液面离探头越来越远时，接收信号与发射信号相隔时间越来越长，其幅值相应的越来越小。同时，接收信号的衰减程度总是要比发射信号余振的衰减慢得多。为了保证一定的信噪比，接收信号需要规定一个值，接收信号必须大于这个值，才能有输出信号。这就构成了远限的问题。在使用一个探头的情况下，发射信号的幅值要维持到低于引起探头振动时，接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能够明显地分辨出来。所以把这段时间规定为盲区时间。当开始计时，测量超声波在空气中的传播时间才有效。但是，当探测距离很远时，为了增大发射功率，须采用特殊形式的大功率超声发射传感器，但这些传感器的接收灵敏度一般很低，甚至无法用于接收，在这种情况下，选用两个换能器分别用于发送和接收。而使用双探头方式，不仅可以增加探测距离，还可以减小盲区。由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过它要比单探头方式的盲区小很多。所以，在本实验中，我们选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离精度。2.3.3 提高测距仪性能的若干措施1、声速校正要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速c必须恒定，实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。一般情况下，由于大气压力变化很小，因此传播速度主要考虑温度的影响。对一定介质，通常采用对温度进行修正的方法，可以测得比较准确的距离。通过对温度修正来校正声速的方法，即用测温元件测量实际环境。2、减小盲区措施(1)压缩发射脉冲宽度发射端采用减幅振荡脉冲或单个脉冲，可使余震(拖尾)减少，此法常用于短距离测量距离。(2)采用自动距离增益控制采用具有自动增益控制功能的接收放大器，使近距离的增益很小，远距离时的增益较大，这样一方面发射信号的余震幅度变小，相应的延续时间缩短，可以分辨出近处的接受回波信号，故可使盲区减少。另一方面，可使远处的回波信号的幅度增大，以提高测量的精度。(3)信噪比问题超声波测距仪都有确定的量程。量程主要决定于接收信号的幅值应大于规定的阐值。这个阐值决定信噪比。噪声有两类，一类电噪声，在处理上同其它电子仪器一样，另一类为机械噪声，其中工业噪声频率较低，对液介式超声测距仪，工作频率较高，可以避开工业噪声频谱段。而气介式超声回波测距仪，一般频率都较低，易引入工业噪声。这时要求对环境噪声进行频谱分析，尽量避免与噪声频率重叠。3 系统硬件设计3.1 电路工作原理及设计 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分组成。利用单片机来实现对超声波和超声波转换模块的控制。单片机通过控制引脚来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测超声波模块的引脚电平，到回应信号由低电平变成高点平时，计时器开始计时，当再次变成低电平时，计时器停止计时，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。结构框图如图3-1所示。超声波接收超声波发送显示驱动驱动LCD显示单片机控制图3-1 超声波测距系统结构框图Fig.3-1 ultrasonicrangingsystem structure diagram3.2 主要电路具体设计及主要元器件介绍3.2.1 电源电路电源电路原理图如图3-2所示。图3-2 电源电路原理图1Fig.3-2 power supply circuit principle diagram one图3-3电源电路原理图2Fig.3-3 power supply circuit principle diagram two本系统中使用到的电源包括+24V,+5V和+3.3V，其中+24V由直流电源直接提供，+5V和+3.3V由电源转换芯片得到。+24V转换成+5V的芯片为LM2596，封装结构如下图3-4所示：图3-4 LM2596的外形图Fig.3-4 the appearance of LM2596 figure之所以选择LM2596，是因为它有以下几大特性：l 可以产生3A的输出负载电流l 输入电压范围可以高达40Vl 外部仅需要4个额外器件l 高的转换效率l 内部有输出保护电路+3.3V电压是由+5V转换得到的，转换芯片为SPX1117，SPX1117芯片的外形如下图3-5所示：图3-5 SPX1117芯片外形Fig.3-5 the appearance of SPX1117 figure3.2.2 微处理器电路微控制器的复位电路及晶振电路如图3-6所示：图3-6 微处理器复位电路及晶振电路Fig.3-6 the microprocessor reset circuit and a crystal vibration circuit微控制器的复位电路有两种方式：一种是系统上电自动复位；一种是手动复位。系统的时钟采用外部的8MHz的晶振提供，为系统提供准确的时序时钟脉冲。1、微处理器微控制器是整个控制系统的核心，它的性能在很大程度上决定了系统的优劣。可以说，选择一款合适的微控制器是系统设计成功的一半。现在主流的微控制器主要分为8位、16位和32位的。8位的微控制器8051久负盛名；16位中以AVR最为出色；32位中百花齐放，但大多数都是基于ARM内核。32位机中优秀的处理器很多。ARM公司为抢占8位机市场，特意研发了Cortex-M3和Cortex-M0内核，其中ARM Cortex-M3 处理器是现在应用比较多、能耗较低和能效最高的ARM处理器。该处理器硅面积极小、能耗极低并且所需的代码量极少，这使得开发人员能够以8位的设备实现32位设备的性能，从而省略16位设备的研发步骤。Cortex-M3处理器超低的门数也使得它可以部署在模拟和混合信号设备中。本系统选择基于Cortex-M3的STM32作为主控制器。工作频率最高可达50MHz，功耗低至150uA/MHz。更突出的是，它能显著降低所有8/16位应用的代码长度。该处理器的特性如下：l 处理器工作频率最高50MHz；l 内置有嵌套向量中断控制器（NVIC）；l 最高可达32kB的片内Flash程序存储器，高达8kB 的静态RAM；l 通过片内Bootloader 软件来实现在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP）；l 串行接口：l UART：可产生小数波特率，带有内部FIFO，支持RS-485/EIA-485；l 2个SSP 控制器，具有FIFO 和多协议功能；l I2C总线接口支持全部I2C 总线规范和增强型快速模式，数据速率高达1Mbit/s；l 3 种节能模式：睡眠、深度睡眠和深度掉电；l 12 位ADC，在8 个引脚之间实现输入多路复用；l GPIO 引脚可以用作边沿和电平触发的中断源。2、STM32F103VC单片机引脚如图3-7所示。图3-7 STM32F103VC单片机引脚Fig.3-7 STM32F103VC MCU pins3、芯片特点：l 多达512K字节闪存 l 存储器配置： 主存储块： 小容量产品：4K x 64位 中容量产品：16K x 64 位 大容量产品：64K x 64 位 信息块：258 x 64 位 l Cortex-M3内核集成了两个调试端口： JTAG调试接口(JTAG-DP) 提供基于JTAG(Joint Test Action Group 联合测试行动小组)协议的5线标准接口。 SWD调试接口(SWD-DP) 提供基于SWD(Serial Wire Debug 串行线调试) 协议的2线标准接口。l 多达11个定时器 多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/ 输出比较/PWM 或脉冲计数的通道 2个16位6通道高级控制定时器，多达6路PWM输出，带死区控制 2个看门狗定时器(独立的和窗口型的) 系统时间定时器：24位自减型计数 2个16位基本定时器用于驱动DAC 3.2.3 超声波模块电路超声波模块电路如图3-8所示。图3-8 超声波模块电路Fig.3-8 ultrasonic module circuit超声波模块实物如图3-9所示：图3-9 超声波模块实物图Fig.3-9 Ultrasonic module physical figure在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。谐振回路，最终将频率为40KHZ的信号作用于发射探头上，使其产生共振后，发射出超声波2。超声波测距的制作和调试都较为简单，其中超声波发射和接收采用超声波传感器TCT40-10F1（T发射）和TCT40-10S1（R接收），中心频率为40KHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求，若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，那可以大大提高抗干扰能力。模块的工作原理：l 采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；l 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回； l 有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2； 3.2.4显示电路1、显示电路以及触摸屏输入电路原理如图3-10所示： 图3-10显示电路以及触摸屏电路原理图Fig.3-10 touch screen display circuit and the circuit principle diagramILI9320寄存器说明：l 索引寄存器用来指定寄存器的地址或将要写入RAM的地址。l 状态寄存器表明了当前ILI9320内部的状态。l 输入模式寄存器AM 控制GRAM更新方向。当AM=0，地址以水平写方向更新。当AM=1，地址以垂直写方向更新。注意：1、当ORG=1，仅有起始地址00000H能通过R20H，R21H被设置在RAM中。 2、在RAM读操作中，确保ORG=0。BGR 交换写入数据中的R和B。BGR=0：按照RGB的顺序写入像素数据。BGR=1：把RGB变为BGR的顺序写入GRAM。TRI 当TRI=1，数据是通过8-bit的接口以8-bit x 3 transfers的模式传输到内部的RAM中。它也可以以16-bit或SPI的接口方式传输数据，这样配合DFM bit可以实现262K色。当不使用这些接口时，确保TRI=0。2、触摸屏转换芯片ADS7843:ADS7843是一个内置12位模数转换、低导通电阻模拟开关的串行接口芯片。供电电压+2.7V+5 V，参考电压VREF为+1 V+VCC，转换电压的输入范围为0 VREF，最高转换速率为125 kHz。转换原理：ADS7843是一款连续近似记录(SAR)的a/d转换器9。可通过连结触摸屏X+触摸信号输入到a/d转化器4。同时打开 Y+和Y-的驱动，然后数字化X+的电压。从而得到当前Y位置的测量结果。同理，也可得到X方向的坐标。因此，就可以确定触摸的按键所在屏幕的位置。表4-1 ADS7843引脚说明Table 4-1 ADS7843 pins description引脚号引脚名称功能描述1，10+Vcc供电电源2.75V2，3X+,Y+接触摸屏正电极，内部AD通道4，5X-,Y-接触摸屏负电极6GND电源地7，8IN3,IN4两个附属AD输入通道9VrefAD参考电压输入11PENIRQ中断输出，须接外拉电阻12，14，16DOUT,DIN,DCLK串行接口引脚，在时钟下降沿数据移出，上升沿移进13BUSY忙指示，低电平有效15CS片选引脚3.3 具体设计步骤本次设计使用的是Protel99SE画图软件电路工程设计部分它包括以下几系统。(1)电路原理设计部分（Advanced Schematic 99）系统：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。原理图的设计需要基本的五步，以下具体介绍。1)新建原理图文件。在进入SCH设计系统之前，首先要构思好原理图，即必须知道所设计的项目需要那些电路来完成，然后用Protel 99SE来画出电路原理图。2)设置工作环境。根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小。在电路设计的整个过程中，图纸的大小都可以不断的调整，设置合适的图纸大小是完成原理图设计的第一步。3)放置元件。从元件库中选取元件，布置到图纸的合适位置，并对元件的名称、封装进行定义和设定，根据元件之间的走线等联系对元件在工作平面上的位置惊醒调整和修改使得原理图美观而且易懂。4)原理图的布线。根据实际电路的需要，利用SCH提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一幅完整的电路原理图。5)建立网络表。完成上面的步骤之后，可以看到一张完整的电路原理图了，但是要完成电路板的设计，就需要生成一个网络表文件。网络表是电路板和电路原理图之间的重要纽带。6)原理图的电气检查。当完成原理图布线后，需要设置项目选项来翻译当前项目，利用Protel 99SE提供的错误检查报告修改原理图。（2）印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。之后是PCB电路设计，一般的PCB电路板有单面板和双面板、四层板、多层板。单面板是一种单面敷铜，因此只能利用它敷了铜的一面设计电路导线和元件的焊接。双面板是包括TOP（顶层）和BOTTOM（底层）的双面敷铜的电路板，双面都可以布线焊接，中间一层为绝缘层，为常用的一种电路板。如果在双面板的顶层和底层之间加上别的层，即构成了多层板，比如放置两个电源板层构成的四层板，这就是多层板。通常的PCB板，包括顶层、底层和中间层，层与层之间是绝缘层，用于隔离布线层。在PCB电路板布上铜膜导线后，还要在顶层和底层上印刷一层防焊层。防止焊接时相邻焊接点的多余焊锡短路。对于双面板或者多面板，防焊层分为顶面防焊层和底面防焊层两种。电路板制作的最后阶段，一般要在防焊层之上印上一些文字符号，比如元件名称、元件符号、元件管脚和版权等，方便以后的电路焊接和查错等。（3）布线系统，有自动布线和手动布线两种。自动布线系统（Advanced Route 99）：本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。但一般时候我们使用手动布线，使格局更合理化。4系统软件设计4.1系统软件总体设计有人说，在一个智能电子产品中，硬件是物质基础，软件则是它的灵魂。在硬件电路日趋成型稳定的现代社会，软件显得尤为重要。就如手机行业，近些年硬件电路基本没有重大的改变，但IOS的出现，帮助苹果迅速取代诺基亚的手机霸主地位。安卓的异军突起也成就了众多手机厂商。而守着塞班的诺基亚地位则一落千丈，可见软件的重要性。尽管本系统并不复杂，但高效、清晰、简洁的代码可以让系统运行的更有效率，维护也更方便。这里采用模块化编程思想，每个功能模块的驱动程序和应用程序分开设计。其中驱动程序包括：并口屏底层驱动、触摸芯片的驱动，超声波模块的驱动等。应用程序则包括：人机界面、触摸按键输入和数字滤波等。系统软件程序大体包括下面几个过程：1. 系统的初始化工作；2. TFT液晶屏的初始化；3. 触摸屏的管脚配置；4. 超声波模块的初始化；5. 判断是连续测量还是测量一次，进而是单片机进入不同的工作状态；6. 如果是连续测量，则单片机就会完成一次测量后，自动进入下次测量；如果是测量一次，则单片机完成测量一次后，进入等待状态。7. 进行数据的处理，完成数据的显示。4.2主程序流程图是否为连续测量超声波模块的初始化TFT液晶屏的初始化系统的初始化开始Y显示测量结果启动一次测量启动一次测量启动一次测量启动连续测量启动一次测量启动一次测量启动一次测量启动一次测量启动一次测量N图4-1主程序流程图Fig.4-1 the main program flow chart4.3测量子程序流程图超声波模块的时序图如图4-2所示：图4-2 超声波模块时序图Fig.4-2 ultrasonic module sequence diagram根据超声波模块的时序图进行软件程序的设计流程如图4-3 ：获取定时器的计数值，得出时间，进行数据判断，除去错误数值，进行数字滤波等待回应管脚变成高电平，定时器开始计时，直到变为低电平，停止计时拉高触发管脚的电平10us根据公式计算出距离，用于显示图4-3 超声波测距子程序流程图Fig.4-3 ultrasonic ranging program block diagram4.4数字滤波4.4.1限幅滤波法7（又称程序判断滤波法）A、方法：根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A）每次检测到新值时判断：如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值B、优点：能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰C、缺点无法抑制那种周期性的干扰平滑度差4.4.2中位值滤波法A、方法：连续采样N次（N取奇数）把N次采样值按大小排列取中间值为本次有效值B、优点：能有效克服因偶然因素引起的波动干扰对温度、液位的变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果C、缺点：对流量、速度等快速变化的参数不宜4.4.3算术平均滤波法A、方法：连续取N个采样值进行算术平均运算N值较大时：信号平滑度较高，但灵敏度较低N值较小时：信号平滑度较低，但灵敏度较高N值的选取：一般流量，N=12；压力：N=4B、优点：适用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波这样信号的特点是有一个平均值，信号在某一数值范围附近上下波动C、缺点：对于测量速度较慢或要求数据计算速度较快的实时控制不适用比较浪费RAM4.4.4递推平均滤波法（又称滑动平均滤波法）A、方法：把连续取N个采样值看成一个队列队列的长度固定为N每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一次数据.(先进先出原则)把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果N值的选取：流量，N=12；压力：N=4；液面，N=412；温度，N=14B、优点：对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高适用于高频振荡的系统C、缺点：灵敏度低对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差不适用于脉冲干扰比较严重的场合比较浪费RAM4.4.5中位值平均滤波法（又称防脉冲干扰平均滤波法）A、方法：相当于“中位值滤波法”+“算术平均滤波法”连续采样N个数据，去掉一个最大值和一个最小值然后计算N-2个数据的算术平均值N值的选取：314B、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差C、缺点：测量速度较慢，和算术平均滤波法一样比较浪费RAM4.4.6 限幅平均滤波法8A、方法：相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理B、优点：融合了两种滤波法的优点对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差C、缺点：比较浪费RAM在本程序设计中为了降低干扰因素，选择了中位值平均滤波法，因为所选择的单片机的RAM足够大，并且完成一次测量的时间也非常快。采用数字滤波降低了硬件设计的复杂程度，降低了硬件成本，只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用时方便灵活。5系统调试5.1系统硬件调试硬件调试主要是对系统整体、各模块焊接、元器件布局等进行检查。调试过程中出现了一些问题，这里选择几个比较明显的进行分析。首先是元器件布局。在设计电路时没有仔细分析元器件的尺寸及占用空间，导致板子器件不能正常放置，备用的电源和地插针被核心板挡住而不可用，电源指示灯也被挡住而很难观察到。其次是元器件的封装问题。在设计PCB时没有查看NOR Flash的封装而使用默认的DIP8封装，在焊接芯片时发现器件实际尺寸比封装要大，从而导致芯片很难焊接。另外还有焊接的问题。在焊接电源电路时存在虚焊，导致电源不稳定；在焊接贴片芯片时也是由于粗心，将芯片焊反。由于第一块电路板问题较多，因此在第一版的基础上进行了重新的设计。完成后对整体供电系统、模块焊接等进行调试，没有问题。5.2系统软件调试 问题一：触摸屏的触控位置与屏幕的显示位置对应关系不对，通过修改程序进行多次的调整，使触摸按键位置与显示位置统一起来。 问题二：测量的距离与实测距离相差非常大，测量的距离就不对。经过分析得知定时器的时钟分频参数不合适。通过分析超声波模块的可测范围以及定时器的计数范围，得到合适的时钟分频系数，从而保证了测的是数据是准确的。 问题三：当测量的距离不准确时，大部分就是+5V电压提供不稳。5.3系统测量效果如表5-1所示：表5-1 实际距离与测量距离误差关系Table 5-1 Actual distance and the distance measurement 实际距（cm）311234050120260300352435测量距（cm）3.011.022.940.050.1120.2259.9300.2352.0434.8误差（cm）0.00-0.100.10.2-0.10.20-0.2效果图如图5-1所示：图5-1显示效果图Fig.5-1 display effect根据文中