一种高精度超声波多路同步测距系统设计

1、一种高精度超声波多路同步测距系统设计超声波测距作为一种非接触性的检测办法，因其结构容易紧凑、牢靠性高、价格低廉、实时性强等优点，近年来已经得到了广泛应用，如液位测量，修路过程中路面平整检测，汽车倒车雷达，辅助视觉识别系统等。但因超声波在空气中传扬时受到诸如环境温度、湿度、风速等影响，传统的超声波测距系统精度普遍较低。文献采纳了在系统中增强硬件温度补偿模块仅在一定程度上可以避开因环境温度变幻带来的测量误差。文献中采纳小波等处理算法，也并不能弥补系统本质上的缺陷。因此，讨论了一种控制精度高，适用范围宽的高精度多路同步超声波测距系统。1 超声波测距工作原理与结构11 工作原理谐振频率高于20 khz

2、的声波被称为超声波。超声波测距的基本工作原理是：放射探头发出超声波，在介质中传扬碰到障碍物反射后再通过介质返回到接收探头，测出超声波从放射到接收所需的时光，然后按照介质中的声速，利用公式s=05ct就能算得从探头到障碍物的距离，式中：s为所测的距离，c为超声波在介质中的传扬速度为超声波从发到收所经过的时光。12 超声波测距系统的普通结构普通状况下，超声波测距系统的基本结构1所示。系统常采纳频率为40 khz的方波信号由内部产生。为了避开温度对声波传扬速度的影响，都采纳温度补偿以适应在不同环境下正常工作的需求。时光的精确测量可由单片机内部单独的计数器完成，也可由外部的计时完成。2 多路同步超声波

3、测距系统系统由单片机、模块、6对收发同体的超声波换能器、功率放大电路、回波高增益放大电路、带通滤波电路以及比较整形电路等组成。系统组成框图2。本系统中。单片机系统与fpga系统是测距仪的核心部件，用来协调各部分元件工作。单片机控制器单元主要是启动超声波放射与计时计数器开头计数的同步以及接收到回波后对其计时计数器的值举行处理等运算。fpga单元主要用来产生超声波的放射脉冲频率125 khz与计时计数器的频率(>170 khz)，通过微控制器来启动超声波的放射，fpga放射一定数量(这里挑选8至10)的脉冲串之后，停止放射同时启动计时计数器计数，超声波途经障碍物返回。当超声波换能器接收到回波

4、信号之后，将其信号送入fpga内部，用来控制计时计数器的停止，将所得的计数值送入单片机。第一路到第五路超声波换能器用于测量距离，测量距离的五路超声波换能器按等间距分离安装在测距仪的固定板上，系统采纳收发同体的探头，其波束角很小，有效的保证了各探头到被测物体的垂直测量距离。第六路超声波换能器安装在测距仪的左侧，在测距仪的右侧安装一块标准档板，较精确的测量当初环境下的声速，用于温度补偿。控制或显示模块用于调节平衡或输出显示测量距离的目的。21 放射电路放射电路3(a)所示。放射电路将接收到的方波脉冲信号送入乙类推挽放大电路，用其输出信号驱动管，接着将其脉冲信号加到高频脉冲举行功率放大，使幅值增强到

5、100多伏，最后将放大的脉冲方波信号加到超声波换能器上产生频率为125 khz的超声波并将其放射出去。22 接收电路接收电路由op37构成的两级运放电路，tl082构成的二阶带通滤波电路以及lm393构成的比较电路三部分组成。因本系统频率较高，回波信号十分弱，为毫伏级，因此设计成两级放大电路，第一级放大100倍，其次级放大50倍，共放大5 000倍左右。另外考虑到本系统要适应各种复杂的工作环境，因此设计了由tl082构成的高精度带通滤波电路，以供回波信号放大后举行进一步滤波，将滤波后的信号输入到lm393构成的反相输入端，与基准相比较，并且对其比较输出电压举行限幅，将其电压接至d触发器，比较器

6、将经过放大后的沟通信号整形出方波信号，将其接至fpga，启动接收模块计数，达到脉冲串设定值时，关闭计时计数器停止计数。23 fpga内部各组成模块设计fpga主要实现125 khz的超声波的放射与接收以及六路超声波从放射到接收之间时光的测量。其内部结构4所示。fpga主要由放射模块、挨次执行计数器、数据挑选器、计时计数器与接收模块五部分组成。其中：放射模块完成脉冲串的放射与计数器的启动，主要由96分频器、放射脉冲串计数器和放射脉冲串的控制器三部分组成。挨次执行计数器模块主要由六与非门、计数器和非门组成。全部的接收模块接收完数据后，通过与非门及非门输出高电平(finish端口)，以触发单片机使单

7、片机处于接收数据状态，单片机发出信号使挨次执行计数器开头计数，计数值每次加1，输出端口便是相应的计时计数器，单片机便从相应的计时计数器中读取计数值。数据挑选器与挨次执行计数器完成计数值数据的读取。计时计数器模块主要完成测量脉冲发出去到接收到的时光间隔和脉冲的计数，主要由启动与关闭计数器控制、12分频器、16位计时计数器、二选一数据挑选器及8位数据锁存器组成(见图5)。接收模块主要接收回波信号和关闭计数器，当接收模块接收到信号以后，便启动计数，达到计数值，就输出高电平，用来关闭计时计数器停止计数。为防止信号串扰，在信号放射时，cuan端输入高电平，对其信号举行屏蔽。3 结果经过试验室调试，本文给出的基于单片机与fpga相结合的多路同步超声波测距系统与其它系统具有如下优势：(1)抗环境影响因素能力强。在工作环境中，对声速影响的因素无数。如温度、风力，湿度等，系统利用安装标准校正板的办法能精确测量当初环境下的声速，可以避开因各种环境因素的变幻而造成的误差。(2)采纳125 khz的频率，同时采纳多路超声波精确同步测距。保证了系统的测量精度。(3)采纳fpga与at89c51结合的计