超声波测距无线传输系统.doc

超声波测距无线传输系统摘要：本系统以两片MSP430作为控制核心，通过RF905进行主从机之间的无线收发通道。主机实时探测障碍物距离和探头在寻找障碍物过程中偏转的角度，并把所计算的最终结果通过无线收发发送给从机，从机驱动液晶实时显示障碍物距离和角度。关键词：MSP430 超声波测距 无线收发 目录 一、方案论证与选择.21.1、40kHz超声载波的产生31.2、测量方法的选择与论证31.3、接收方法的选择与论证31.4、电机的选择4二、系统组成的最终方案4三、主要单元电路的设计53.1、40kHZ方波生成电路53.2、超声波发射驱动电路53.3、超声波接受电路6四、系统的软件设计6五、 测试数据与分析75.1、使用仪器及型号75.2、 测试方法75.3、 测量数据75.4、 误差分析75.5、 结论8六、总结8七、 参考文献8一、方案论证与选择1.1、40kHz超声载波的产生方案一：采用 555定时器产生。利用555多谐振荡器产生40kHz方波简单可行，控制方便且成本低。方案二：由单片机产生。此方案系统规模小，硬件电路简单，但需要的定时器数目多，且产生的方波信号有很大误差。方案三：用DDS直接数字频率合成技术产生。此方案的输出波形稳定，精度高，并且可以根据实际电路的选频特性输出频率可精确调节的波形，测量范围大。但电路过于复杂，系统太大，成本较高。方案四：由FPGA产生。此方案通过对FPGA进行编程，构造分频器电路对4MHz有源晶振频率进行分频，输出的40KHz方波波形稳定，且易于控制。经过比较我们采用方案一。1.2、测量方法的选择与论证方案一：幅值检测法。在发射功率一定的情况下，回射波幅值随测量距离的增大而衰减，而回射波幅值的大小将直接影响测量的精度。因此该方案只适合粗略测量，精度达不到题目中的要求。方案二：度越时间检测法。度越时间即超声波从发射器发出到接收器接收的时间，度越时间与超声波在气体中传播速度相乘即得声波传播的距离。此法不用考虑反射信号的大小，只检测反射信号的有无，这一方案将使硬件电路得到大大简化。综上所述，我们采用方案二。1.3、接收方法的选择与论证方案一：使用CX20106集成芯片接收。CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。所以操作简单方便，但也因为是集成芯片所以一旦产生杂波干扰就很难彻底消除，而且放大倍数也存在局限。方案二：使用分离电路。应用分离电路可以灵活的根据需要设置放大倍数，制作的有源滤波器也能有效的消除杂波干扰。综上所述，我们采取方案二。1.4、电机的选择方案一：使用步进电机，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角，具有较强的快速启停能力。其控制特性如图所示。= ck ,其中为步进电机的角位移量,k 为脉冲数, c 为常数。这一线性关系的存在，使得步进电机只有周期性的误差而无累积误差，这一特性是整个系统方案的基础。我们采用的是四相八拍步进电机。方案二：使用舵机。舵机为随动系统，当其未转到目标位置时，将全速向目标位置转动，当其达到目标位置时，将自动保持该位置。舵机输出扭矩较大，运动时可以外接较大的转动负载，而且抗抖动性很好，电位器的线性较高，达到极限位置是也不会偏离目标。舵机的控制信号是PWM信，改变舵机的位置。通过控制PWM信号的占空比，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较以驱动电机正反转。当电机转动时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，直到电压差为0，电机停止转动。角度变化与脉冲宽度的变化成正比。由于步进电动机控制方便，而且步进角精确，所以我们选择方案一。二、系统组成的最终方案经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图如图21所示。系统主要由超声发射部分、接收部分、电机驱动部分和显示部分组成，可以实现题目要求的所有功能。MSP430MSP430无线收发LCDLED电机驱动发收步进电机555 40kHZ方波滤波放大整形功率放大 图21 系统组成框图三、主要单元电路的设计3.1、40kHZ方波生成电路555内部它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 图31 方波发生电路其中C1为旁路电容，起到滤波作用。此电路设计方波占空比为, T1=T2=0.693RaC ，T=0.722/（RaC）其中T1、T2分别为一个周期内高低电平时间。设计C为102，所以Ra=2.910。3.2、超声波发射驱动电路 超声波发射探头是电压型器件，为了达到超声波探测距离，我们需要增大发射功率。我们先通过TIP31功率管进行功率放大，然后通过一个变压器提升发射电压。具体电路实现如下图所示： 图32 超声波发射驱动电路 图中，R1为电路保护电阻，我们去60，一级线圈和次级线圈的匝数比为1:20。3.3、超声波接收电路反射回来的声波经声电转换器后得到的电信号幅值在mV量级，且含有幅值相近的噪声干扰，因而不宜直接进行电压比较，需经过放大与滤波后才能得到幅值较大的40K的正弦波，再经过电压比较后得到可以触发单片机中断的电信号。放大部分采用两级反向放大串接，第一级放大倍数固定，第二级可调。滤波电路为二阶压控电压源带通滤波器，中心频率为40k，可以滤除50Hz工频以及其他一些加性干扰。3.4、电动机驱动电路本设计中步进电机以四相八拍方式运转，步进角为1.8度。由于当L298从工作状态变为截止状态时，电机绕组（感性）中的电流不会突变，因此会在四4个输出端口上产生一个很强的反电势，容易将L298击穿，故将两个二极管串联构成并联的四条保护电路接在地和电源Vcc之间，使得绕组产生的反电势能通过续流二极管D泄放，从而保护L298。 图34 电机驱动电路 拟设向顺时针方向为正方向，已知步进电机一个脉冲旋转1.8。计往正方向输入总脉冲数为m，往又负方向输入的总脉冲数为n，即最终输入脉冲数为，则偏离角度C=(18S) 四、系统的软件设计系统的软件部分主要完成下述任务：控制超声载波的发射，在发射的同时启动计时器，等待超声回波触发中断，并响应中断，计算角度与距离值，结果通过无线收发输送给另一片单片机驱动LCD显示；编程产生电机转动所需的四相八拍控制信号，令电机每隔一定时间转动一个步进角。程序用MSP430编写，流程图如下所示： 41 主机流程图 42 从机流程图5、 测试数据与分析5.1、使用仪器及型号 直流稳压稳流电源：型号YB1731A B3A 60M数字存储示波器：型号 GOS-1602 数字信号源：型号 SG1040A 万用表：型号 MS8265 卷尺5.2、 测量数据测量次数第一次第二次第三次第四次第五次第六次实际距离0.40m0.80m1.50m2.00m2.80m3.00m测量距离0.41m0.82m1.52m1.98m2.83m3.05m误差率2.5%2.5%1.3%1.0%0.7%1.6%5.3、 误差分析系统误差会对测量结果造成影响，比如：声速随实验室气温改变、测试人员生理特点等，这些误差可以通过对测量值进行修正的办法处理。（其中T为环境温度）。5.4、 结论本设计实现了题目的各项基本要求，具体包括部分发挥部分要求：（1）能够探测出0.3m3.10m障碍物的距离，误差5cm;(2) 能够实现在45搜索障碍物，且误差2。（3） 障碍物在0.30.8m、0.81.5m、1.53m三个距离段时可以灯光提示各自的段位；（4）实现了无线收发功能。六、总结1、 在系统调试过程中当障碍物距离发射头比较近时容易产生错误，经分析得出时发射头和接受头容易发生衍射现象，于是在发射后经软件延时一段时间消除干扰。延时越长越好，但是要是延时超过声音能探测最短距离所用时间时就会不能实现进距离测距，所以，延时时间t（v为声音在空气中的传播速度）。2、 系统在运行时有时会发生偶发明显错误。经分析可能是外界振动产生了40HZ的干扰波，但这种概率很小但无法完全消除。我们分析认为可采样10次，然后去除最高两组和最低两组数据，剩下的数据求平均值。七、