基于ARM9的超声波的温度补偿测距仪

专业综合设计项目名称基于ARM9的超声波的温度补偿测距仪专业班级学生姓名指导教师2013年7月1日专业综合设计1摘要摘要介绍基于ARM处理系统的超声波测距系统的组成，给出了工作原理以及程序设计的方法，分析了在该系统下超声波测距模块驱动程序的结构。设计了发射/接收电路。发明涉及到仪器的测量距离，最主要的是，这种仪器，其中两点之间传输超声波。精密机床必须校准。在过去，这已经利用机械设备来完成，如卡钳，微米尺等。不过，使用这种装置并不利于本身的自动化技术发展。据了解，两点之间的距离可以通过测量两点之间的行波传播时间的决定。这样的一个波浪型是一种超声波，或声波。当超声波在两点之间通过时，两点之间的距离可以由波的速度乘以测量得到的在分离的两点中波中转的时间。因此，本发明提供仪器利用超声波来精确测量两点之间的距离对象。当任意两点之间的介质是空气时，声音的速度取决于温度和空气的相对湿度。因此，它是进一步的研究对象，本次的发明，提供的是独立于温度和湿度的变化的新型仪器。这项距离测量仪器发明是根据上述的一些条件和额外的一些基础原则完成的，其中包括一个参考单位和测量单位。参考和测量单位是相同的，每个包括一个超声波发射机和一个接收机。间隔发射器和接收器的参考值是一个固定的参考距离，而间距之间的发射机和接收机的测量单位是有最小距离来衡量的。在每一个单位，发射器和接收器耦合的一个反馈回路，它会导致发射器产生超声脉冲，这是由接收器和接收到一个电脉冲然后被反馈到发射机转换，从而使重复系列脉冲的结果。重复率脉冲是成反比关系之间的距离发射器和接收器。在每一个单位，脉冲提供一个反馈。由于参考的距离是众所周知的声速，比例反产出是利用数学以确定所期望的距离来衡量。由于这两方面都是相同的影响，温度和湿度的变化，采取的比例相同，由此产生的测量变得准确。关键词ARM；超声波；测距；专业综合设计2ABSTRACTABSTRACTANULTRASONICDISTANCEMETERCANCELSOUTTHEEFFECTSOFTEMPERATUREANDHUMIDITYVARIATIONSBYINCLUDINGAMEASURINGUNITANDAREFERENCEUNITINEACHOFTHEUNITS,AREPETITIVESERIESOFPULSESISGENERATED,EACHHAVINGAREPETITIONRATEDIRECTLYRELATEDTOTHERESPECTIVEDISTANCEBETWEENANELECTROACOUSTICTRANSMITTERANDANELECTROACOUSTICRECEIVERTHEPULSETRAINSAREPROVIDEDTORESPECTIVECOUNTERS,ANDTHERATIOOFTHECOUNTEROUTPUTSISUTILIZEDTODETERMINETHEDISTANCEBEINGMEASUREDABACKGROUNDOFTHEINVENTIONTHISINVENTIONRELATESTOAPPARATUSFORTHEMEASUREMENTOFDISTANCEAND,MOREPARTICULARLY,TOSUCHAPPARATUSWHICHTRANSMITSULTRASONICWAVESBETWEENTWOPOINTSPRECISIONMACHINETOOLSMUSTBECALIBRATEDINTHEPAST,THISHASBEENACCOMPLISHEDUTILIZINGMECHANICALDEVICESSUCHASCALIPERS,MICROMETERS,ANDTHELIKEHOWEVER,THEUSEOFSUCHDEVICESDOESNOTREADILYLENDITSELFTOAUTOMATIONTECHNIQUESITISKNOWNTHATTHEDISTANCEBETWEENTWOPOINTSCANBEDETERMINEDBYMEASURINGTHEPROPAGATIONTIMEOFAWAVETRAVELLINGBETWEENTHOSETWOPOINTSONESUCHTYPEOFWAVEISANULTRASONIC,ORACOUSTIC,WAVEWHENANULTRASONICWAVETRAVELSBETWEENTWOPOINTS,THEDISTANCEBETWEENTHETWOPOINTSCANBEMEASUREDBYMULTIPLYINGTHETRANSITTIMEOFTHEWAVEBYTHEWAVEVELOCITYINTHEMEDIUMSEPARATINGTHETWOPOINTSITISTHEREFOREANOBJECTOFTHEPRESENTINVENTIONTOPROVIDEAPPARATUSUTILIZINGULTRASONICWAVESTOACCURATELYMEASURETHEDISTANCEBETWEENTWOPOINTSWHENTHEMEDIUMBETWEENTHETWOPOINTSWHOSESPACINGISBEINGMEASUREDISAIR,THESOUNDVELOCITYISDEPENDENTUPONTHETEMPERATUREANDHUMIDITYOFTHEAIRITISTHEREFOREAFURTHEROBJECTOFTHE,PRESENT专业综合设计3INVENTIONTOPROVIDEAPPARATUSOFTHETYPEDESCRIBEDWHICHISINDEPENDENTOFTEMPERATUREANDHUMIDITYVARIATIONSBSUMMARYOFTHEINVENTIONTHEFOREGOINGANDADDITIONALOBJECTSAREATTAINEDINACCORDANCEWITHTHEPRINCIPLESOFTHISINVENTIONBYPROVIDINGDISTANCEMEASURINGAPPARATUSWHICHINCLUDESAREFERENCEUNITANDAMEASURINGUNITTHEREFERENCEANDMEASURINGUNITSARETHESAMEANDEACHINCLUDESANELECTROACOUSTICTRANSMITTERANDANELECTROACOUSTICRECEIVERTHESPACINGBETWEENTHETRANSMITTERANDTHERECEIVEROFTHEREFERENCEUNITISAFIXEDREFERENCEDISTANCE,WHEREASTHESPACINGBETWEENTHETRANSMITTERANDRECEIVEROFTHEMEASURINGUNITISTHEDISTANCETOBEMEASUREDINEACHOFTHEUNITS,THETRANSMITTERANDRECEIVERARECOUPLEDBYAFEEDBACKLOOPWHICHCAUSESTHETRANSMITTERTOGENERATEANACOUSTICPULSEWHICHISRECEIVEDBYTHERECEIVERANDCONVERTEDINTOANELECTRICALPULSEWHICHISTHENFEDBACKTOTHETRANSMITTER,SOTHATAREPETITIVESERIESOFPULSESRESULTSTHEREPETITIONRATEOFTHEPULSESISINVERSELYRELATEDTOTHEDISTANCEBETWEENTHETRANSMITTERANDTHERECEIVERINEACHOFTHEUNITS,THEPULSESAREPROVIDEDTOACOUNTERSINCETHEREFERENCEDISTANCEISKNOWN,THERATIOOFTHECOUNTEROUTPUTSISUTILIZEDTODETERMINETHEDESIREDDISTANCETOBEMEASUREDSINCEBOTHCOUNTSAREIDENTICALLYINFLUENCEDBYTEMPERATUREANDHUMIDITYVARIATIONS,BYTAKINGTHERATIOOFTHECOUNTS,THERESULTANTMEASUREMENTBECOMESINSENSITIVETOSUCHVARIATIONS专业综合设计4目录摘要IABSTRACT2第1章绪论511课题研究背景512课题研究意义5第2章设计方案621超声波测距原理622温度补偿及其原理7第3章硬件设计931系统总体设计932超声波电路9321超声波发射电路9322超声波接收电路1033温度补偿电路1034显示电路11第4章软件设计1341超声波发生子程序和超声波接收中断程序设计1542温度采集及波速补偿程序设计15第5章仿真与调试1651测量数据1652数据分析17结论18参考文献19附录专业综合设计5第1章绪论从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开始广泛应用于生产领域。于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在工农业生产上到了广泛的应用。11课题研究背景利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段，也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波，借助空气媒质传播由被呆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物位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定位发射，方向性好，轻度好控制，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。超声波是指频率在20KHZ以上的声波9，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在20KHZ以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。12课题研究意义由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）专业综合设计6、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用5。专业综合设计7第2章设计方案超声波传声器结构简单、行能可靠、成本低、易集成，因此采用超声波测距的方式进行距离测量。在常温下，超声波的传播速度为340M/S，但其传播速度V易受到空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。一般温度每升高1摄氏度，声速增加约为06M/S6。表21为超声波在不同温度下的波速值。表21一些温度下声速温度T/3020100102030声速V/MS1313319322331337344350由此可见温度对超声波测距系统的影响是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果，必须对波速进行温度补偿。通过实验可获得波速与温度之间的经验模型V33150607T5，T为现场温度，V为实际波速。从式中可看出，要获得精确的波速值，必须首先获取现场温度T的大小。本设计采用DS18B20检测现场温度，用以实现实际波速的校准。21超声波测距原理超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动7，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种如往返时间检测、相位检测法、声波幅值检测法。本实验采用往返时间检测法测距。其原理是超声波专业综合设计8传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离6。假定S为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为TS。超声波传播速度为V/MS1表示，则有关系式21SVT22122温度补偿及其原理目前，大多数温度测控系统在进行温度测量时，通常采用模拟式温度敏感元件，如热电阻、热电偶、红外测温仪等，将温度转化为电信号，经过信号放大电路放大到合适的范围，再由A/D转换为数字量。此种形式的温度测量结构复杂，测量精度易受原器件参数影响。DS18B20是DALLAS公司开发的1WIRE（单总线）高精度数字式半导体温度传感器，它具有节省I/O口弦资源，结构简单，成本低廉，精度高，便于总线扩展和维护等诸多特点。1WIRE是将数据线、控制线、地址线合为1根信号线1。DS18B20的测温原理如图21所示，图21中低温度系数的晶振的振荡频率受温度很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，产生的信号作为计数器2的脉冲输入图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数3，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的基数分别置入计数器1和温度寄存器中，计数器1的温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加16，计数器1的预置将重新被装入，重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲进行计数。如此循环直至计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图21中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中振荡器温度特性的非线性，以产生高分辨率的温度测量。其输出用于修正计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。由经验公式V33150607T得出现场波速，实现温度补偿。专业综合设计9图21DS18B20的测温原理另外，由于DS18B20单总线通信功能是分时完成的，因此他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。专业综合设计10第3章硬件设计31系统总体设计本系统由超声波发射、回波信号接收、显示等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。整个系统由ARM7控制，超声波传感器采用收发集成式，应用HCSR04。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收4。32超声波电路321超声波发射电路超声波发射部分是为了让超声波发射端能向外界发出40KHZ左右的方波脉冲信号。40KHZ左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P32端口输出40KHZ左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40KHZ方波脉冲信号分成两路，推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射端以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图31所示。图中输出端上拉电阻R1,R6，一方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间5。图31超声波发射电路专业综合设计11322超声波接收电路传统的接收电路采用LM386等功率放大器件，结合其他一些硬件电路实现，电路结构复杂，制作成本较高，且检测灵敏度没有保障。本设计选用了索尼CX20106A芯片，这是一款专用的红外信号接收芯片，内部集成了检波、除噪、放大电路，具有很高的信号检测灵敏度，且输出信号电平等级与单片机相同。上述TCT4016T发射的在空气中传播，遇到障碍物就会返回，超声波接收部分是为了将反射波回波顺利接收到超声波接收端进行转换变成电信号，经过内部芯片对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后，得到一个负脉冲送给单片机的P33INT1引脚，以产生一个中断。超声波接收电路图如图32所示。图32超声波接收电路33温度补偿电路温度采用DS18B20传感器进行测量，P23接DS18B20数据总线，控制DS18B20进行温度转换和传输数据,同时数据总线上还接10K的上拉电阻。本系统对DS18B20采用外部供电，其优点在于I/O线不需要强上拉，而且总线控制器无需在温度转换期间一直保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据传输，硬件结构如图33所示。图33温度补偿电路专业综合设计1234显示电路的设计在测距完成一次后，我们希望能将结果输出，以便进行记录，或其他处理用。此次设计中，由于器件的功率和其条件的限制，不可能完成远距离的测量，我在设计时决定采用三位完成显示，其实三位完全可以满足显示要求。显示器采用共阳极二极管。显示的处理芯片为74LS244，它作为显示处理芯片而被广泛运用，它主要用于三态输出，作为地址驱动器，时钟驱动器和总线驱动器，定向发送器等。共阳极显示数码管共阳极数码管是由A、B、C、D、E、F、G七个LED组成，通过使不同的LED发光显示，组合达到显示字母和数据的效果。一般LED额定电压为直流27V，实际供电电压要比这大，为此需要连接电阻降压，而且可以通过改变电阻的大小，达到调节LED等显示的明亮程度。其工作原理图如图33所示图33LED显示原理有了显示处理模块，二极显示管就可以从ARM7引脚接出显示电路，电路如图34所示A02A14A26A38OE1Y018Y116Y214Y312U1A74LS24A01A113A215A317OE19Y09Y17Y25Y33U1B74LS24R1620620R36204620R5620620R76208620Q19012Q29012Q39012R91KR101KR11K图34显示电路模块仿真电路用三位显示，采用的是共阳极二极管，接通电路，仿真是图35专业综合设计13图35显示电路之所以会八根管路全通是因为ARM7此时没有获得中断信号，连接ARM7的线路也未获取来之芯片的显示数据，只要ARM7被信号中断，计时停止，有芯片处理后，就可以显示数据了。专业综合设计14第4章软件设计超声波测距仪的软件设计主要由程序、超声波发生子程序，超声波接收中断子程序及显示子程序组成。主程序流程图如41所示。图42主程序流程图开始初始化显示初始状态判断LINEO是否按下开始测量发射385KHZ脉冲接收信号并计算距离S显示距离专业综合设计1541超声波发生子程序和超声波接收中断程序设计超声波测距主程序利用外部中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0低电平）4，立即进入超声波接收中断程序。进入该中断后，就立即关闭计数器T0，停止计时，并将测距成功标志子赋值1，寄存器用00H单元。42温度采集及波速补偿程序设计DS18B20对时序和电性参数要求很高，所以在通过单总线接口访问DS18B20时，其工作流程必须要遵守严格的操作时序，如果时序中任意一步缺少或顺序错乱，DS18B20将不会响应7。DS18B20的操作顺序是第一步对DS18B20初始化；第二步发送ROM命令；第三步发送功能命令。超声波测距系统上电后，单片机开始初始化DS18B20，检测现场温度，软件控制DS18B20的具体流程图如图43所示。图43温度补偿程序框图专业综合设计16通过以上程序，超声波测距系统上电启动后即可获得现场温度，在进行测距工作时会把温度值通过公式V33150607T补偿到超声波的波速中，使得现场的实际波速得到校正，从而降低温度对测距结果的影响，提高超声波测距系统的精度。专业综合设计17第5章仿真与调试超声波发射电路结构简单没有过多调试，主要对接收部分进行调试。超声波接收电路采用的是索尼CX20106A芯片，这是一款专用的红外信号接收芯片，电路结构简单但参数设置的不当会直接影响接收的效果。其中2号脚与地之间连接RC串联网络1，它们是负反馈串联网络的组成部分，改变它们的数值能改变前置放大的增益和频率特性。增大R或减小C将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。在制作过程中R取47欧姆C取33UF，导致放大倍数过大，测距功能不能正常工作，后来R取47K2，C不变，测距功能基本可以实现，最终为了方便调节放大倍数将R用10K电位器代替，以此达到最佳效果。5号脚与地之间接入的电阻用以设置带通滤波器中心频率F0，阻值越大，中心频率越低，本设计采用经验值200K，此时中心频率约为40KHZ。6号脚与地之间接的积分电容，标准值为330PF，由于手头没有330PF的就用两个680PF的电容串联，这样做对功能有一定影响但不是很大，具体规律是电容太大会导致探测距离缩短。其它引脚不用调试。温度采集及显示的调试中出现数据显示的位置错误，原因是显示程序中存储数据的数组重复利用，在显示完一组数据后应对存储数据的数组重新赋值，这样问题就可得到解决。51测量数据经多次调试，统计测量数据如表51,52所示，其中，表51为实际距离与测量距离之间的关系，表52为温度及对应波速的关系，从而推论出，温度对波速的影响。表51距离实际距离（CM）57102030507090100测量距离（CM）67102029497192100表52温度及对应的波速当前温度（）282930313233343536专业综合设计18当前波速（M/S）34834934935035035135235235352数据分析测量工距用两成为23CM的三角尺，挡板。最小有效测量距离为6CM，测量误差在1CM左右，重复性较好。误差原因主要有尺子短，温度补偿和距离计算中的数据取整造成的误差。专业综合设计19结论在专业综合设计中，经过选题、设计电路、购买元件、焊接电路、程序编写调试等步骤，最终得到完整的作品。基于ARM7的超声波避障系统设计，整体系统简单，方便实用，易于拓展。设计中采用ARM核为主控，结合各外围电路，共同构成距离检测系统。这次课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接。通过本课程设计，我获益匪浅，增强了我对专业知识的学习，加深了认识，进一步巩固了我的动手能力，培养独立自主、综合分析的思维