科技创新6-第03大组超声波测量子系统设计报告

完成时间：2010/6/18科科技创新[6]设计报项目名称：远程测控系统——超声波测量子系统大组编号：第3大组设计小组名单：郭岸锦组长、石强、杨颖峰800800地邮锦FFF800800地邮摘要：超声波具有聚束、定向以及反射、透射等特性，已经被广泛应用到生活中，比如测距、探伤、、和医学成像等。本文主要介绍了利用超声波测距原理实现对测试样块厚度的测量以及探AVR单片机、AlCPLD板和超声波传感器。另外，此系统还包括了与本系统通信模块，便于总的系统控制。：超声波；单片机；CPLD；传感器；测Havingthefeaturesofspotlight,orientation,reflection,transmissionandsoon,ultrasonichasbeenwidelyappliedtoourdailylives,suchasdistancemeasurement,detectionofdefects,cleaning,grindingandmedicalimaging.Inthispaper,wemainlytalkaboutindetailthesystemdesign,whichcanmeasurethethicknessoftestspecimensanddetecttheirinternalstructuredefects(faultsorholes)usingtheultrasonicdistancemeasurement.Thedesignincludesthepartsofhardwaredesignandsoftwaredesign.AndthemainequipmentsweusedaretheAVRmicrocontroller,AlCPLDandultrasonicsensor.Inaddition,thissystemalsoincludesacommunicationmodulewiththelocalhostsystemtofacilitatetheoverallsystemcontrol.Ultrasonic,microcontroller,CPLD,sensor,distance第第PAGE1 概 编写目 名词定 缩略 系统综 系统组 系统的主要功 超声波子系统各个部分功能简 超声波发射电 超声波接收处理电 AVR单片 系统的硬件结 硬件总体结 <超声波发射机模块>描 功能描 接口定 工作原 调试过程中遇到的问题及解决方法 <超声波模块>描 功能描 接口定 实现方 超声波软件设计部 CPLD程序设 设计原 CPLD输入输出端 4.1.3CPLD程序流程 CPLD逻辑仿 AVR单片机程序设 设计原 端口设 AVR单片机程序流 遇到的问 实验心 致 参考文 附 第PAGE第PAGE10概编写目学习，也能作为一份技术资料作为专业的参考。同时希望借总结经验教训，加深笔者对名词定超声波：频率大于20KHz的声波为超声单片机：微型计算机系统，由CPU，ROM，RAM，输入输出设备组成的集成电缩略CPLD：complex blelogic系统综系统组超声波回波分析计算显示（CPLD和AVR单片机）以及通信（AVR单片机系统的主要测量超声波回波之间的时间，然后利用超声波的速度计算出两回波之间的距离，即为相应超声波接收处理超声波接收处理超声波发射部分2-1超声波子系统各个部分首先通过CPLD产生一个正向窄脉冲，此脉冲经IR4427驱动后，使得场效应管在瞬时导通，从80V以上的负脉冲（后接负载值），此即超声波发射板子系统功能。检波、第二级放大、比较整形，最终产生幅度为5V左右的脉冲，便于后续的计时和计数处理。AVRAVR单片机的控制信号进行复位或者输出检测数据。AVR单片CPLDCPLD检测完成反馈信号，输出数据控制信号读入数据并进行计算处理，将结果显示于8段数码管，以及与本系统间进行通信。系统的硬件结硬件总体结CPLD传来的控制信号，产生相应的高电压脉冲，通过超超声波模块的主要功能是将超声波传感器接收到的回波（其实也包含了始波），进行一系列的处理，最后产生相应的脉冲，输出到CPLD板进行计数。CPLD控制脉CPLD控制脉产生高电产生超声检测超声波板3-1<超声波发射机模块>描此模块的主要功能是将CPLD产生的正向窄脉冲经IR4427驱动后，使得场效应管在瞬时导通，80V以上的负脉冲（后接负载值），激发产生超声波。发射机的总体电路图如下：τ

3-2CPLDCPLD控制脉产生高电产生超声3-3超声波脉冲发射模块框图表3-1电路部分器件说标 型号与实际取 说

500V10W以上的场效应管回路充放电时间可越长，R1可以越大。1MΩ250V电源的输出电流较小。此模块有一个输入接口，输入电压幅度为3.3V左右的电脉冲，直接与CPLD板的输出口相连当T截止时，250V电压源通过R1和RLC15C1250V当T瞬时导通，T、C1和RL50Ω，故C1中的电荷被0.5~1.5us。10~30ns（最理想情况3-4U1IR4427，且输入波形是正脉冲，故脉冲信号在很长的时间内处于低电平，即输入三极管的信号的平均幅值不至于损坏场效应管。所以实际设计可以舍去U1前的限流电74LS123对前端输入信号进行整形，同时亦有驱动下级电路的功能。但是实际调试中我们发现，由CPLD电路产生的前级信号输出的窄之后，RL的设计也是不可或缺的，为了防止过大电流损害超声波探头，在输出端并联一个电PCB板插孔的不匹配性，PCB板的插孔，以使其能够正常装配到超声波发射板上。0.5~1.5us间，输出后段纹波较小，波形稳定，说明超声波发射电路工作正常，且完全<超声波模块>描CPLD板计时和计数的电脉冲。处理的过程包括：限幅，第一级放大，检波，第二级放大，比较整

3-5比较板3-6此模块有一个输出接口，输出电压幅度为5V左右的电脉冲，直接与CPLD板的输相连5个部分，限幅电路部分、第一级放大电路部分、检波电路部分、第二级放大3-7由于是直接与发射机相连的，在产生超声波的过程中，发射机会产生150V左右的电压脉冲，如果在这里不加以限制，则会对后面的电路造成极大的损害。采用了如上图所示的限在上图的电容Ci之后还接了一个电阻，阻值为1kΩ，Ci的取值为0.1μF，Ci不宜太大，否则超0.1μFRC10kHz，用于滤出20kHz，所以不会把超声波滤除。3-8此部分电路的功能主要是对信号进行初步放大，以便于后续的检波处理。其运算放大器的型号A81815的脉冲，同时取得太大，在相同的检波电路部分的参数下，会使得检波后的脉冲的时间拉长，这样就得调整检波部分的电阻和电容值，使其时间常数变得很小。经实验，倍数设为15，取10~20倍均可以取得不错的效果，只是要将检波电路部分的参数值3-9的参数取得也必须要适中、合理，既不能使RC值取得太小，否则会使一个超声波有多个上升沿，产生最终的错误结果，也不能使RC值取得太大，否则会使当前脉冲的持续时间拉长，会将后面到也会产生最终的错误结果。最后，C取为0.1μF，R用一个范围为1k~10kΩ的变阻器，便于3-10此部分电路的主要功能是对检波后的信号进行进一步的放大，信号经检波电路后幅度会有所衰减，再加上本来信号的幅度就不是很高，所以需要这一级的放大，便于后面的比较整形电路的的放大倍数不宜取得很大，否则会有一些不需要的信号也会通过后面的比较整形电路，高于门53-11此部分电路的功能主要是对前面产生的脉冲进行整形，产生幅度为5V的，然后直接输入到CPLD的输入端，进行后续处理。此部分的主要器件是低功耗比较器LM393。R取为一个1k~10kΩ的变阻器，便于调整门限电压。超声波软件设计CPLD程序设钟脉冲，使用7状态的状态机，分别控制将对应物块的厚度计数下来。CPLD输入输出端port in in in instd_logic_vector(2downto0); outstd_logic; out outstd_logic_vector(11downto其中，sig_in为超声波接收处理部分输出地信号，clk50MHz时钟，rstAVR单片机CPLD的复位信号，key_inCPLD输出数据的控制信号，done为CPLD完成一次检测的响应信号，sig_out为超声波发生部分的启动脉冲信号，data_outAVR12位二进制信CPLD程序流如下图所示，CPLDAVRrst=0rst=1后machine_statesimcountersig_out并同时进行响应物块厚度的计数，其中物i（blocki）ii+1个回波之间的脉冲数（i=1，2，…，5），5块物块的测量（受到超声波探头的能力影响，具体还可以进行扩充）(cnt="1111111111111111")done1AVR状态机、计数器复位信号启动检测完成，检测完成响应信AVRkey_inCPLDdata_outkey_in为“000”时输出为接收到的回波数counter。数据输出完成后，等待AVR复位信号启动下一次检测状态机、计数器复位信号启动检测完成，检测完成响应信等待复位信号启动下一次等待复位信号启动下一次根据控制信号输出数据至4-1CPLDCPLD逻辑仿14-2CPLDAVR单片机程序设AVR单片机内部时钟频率为8MHz，每5ms进行中断子程序，中断子程序中进行按键检测，输CPLD端口相连接入。即物块长度l=n*(1/ )s*2500m/s*1000mm/1m/2=n*5/2(10^(-2)mm),其中n*5/2为最终显示在8段数码管上的4位十进制数据，小数占两位，单位为mm。这里将超声波在介质中的考虑到AVR本身的时钟计数周期较大，使用时钟周期更短的CPLD作为回波计数时钟PORTA=0x00;//PAPA0~PA4作为输入,DDRA0xe0;//PAPA7、PA6、PA5PORTB=0x00;//PBDDRB0x00;//PBPORTC=0xf0;//PCPC7、PC6、PC5、PC4DDRC=0x0f;//PC0~PC2作为输出PORTD=0x00;//PD留作通信用DDRD=0x04;其中，对应接口方式为，PBCPLDJ3相连，PACPLDJ7相连，PCCPLD的Ｊ４相连，通口这里不做说明。AVR单片机程序流主要的AVR实现功能如下，其中，sw3为复位控制键，sw3按下后，CPLD的rst信号置0，启动一次超声波检测。sw1为显示控制键，按下后显示相应物块的厚度。另外，sw2按键控制切换4个8段数码管显示物块的位置（I）和物块的厚度。nysw3SW14-3AVR遇到的问counter-1。输出显示由sw1控制CPLD状态机的数量。冲差，即n+2或n-2，换算成长度为0.05mm，这是理论的测量精度。实际中，由于超声波在介质中实验心超声波子系统的实验原理并不，难在系统性能的提高，包括测量精度，量程，以及测量数目。当然最直接简单的方法是换用更高精度的探头，但实验中并不允许。我们主要采取控制接收信是的两个量，若增加系统量程，则需降低测量门限，这使得主发射波变宽，那么会造成覆盖相5mm的物块不能单独测出。本次实验通过我们的共同努力，克服了重重，总算把基本功能完成了93点才把总体系统全部接成功，之后一个大组的同学在一起吃叫来的外卖，其形也可检测时出现了问题，不能测出单块5mm的厚度，但是我把它写在了测试报告上，检测老师很明考验，最终将以更强的姿态迎接未来的。致本次科创实验的设计、焊接、调试以及最终完成离不开交通大学电子工程系以及相关实验室的支持，也离不开老师细致的内容介绍、的课件演示以及耐心的实验指导。同时，我们得到了其他组同学的热情帮助以及认真讲解，是他们不厌其烦地帮助我们反复检查、调试、分析，在工作的学长以及器材科的老师，没有他们，没有舒适的实验环境以及及时的器材更换。最后，感谢检测的老师，他们常常要工作好长时间来回奔跑为我们检测结果，有时候一个小组没有结果或者结果不好还要重新测几遍，感谢他们不辞劳苦的工作，没有他们的指导，我们将无法正确地认识到自己实验的不足之处，有时候老师们的几句点拨之语，使我们开，想清楚了很多问题。参考文《超声波系列讲座》，，2010，交通大《AVR单片机原理及测控工程应用：基于ATmega48/ATmega16》，刘海成，2008，航空航天大学《单片机KeilCx51应用开发技术》，青等著，人民邮电附 WindowsXPQuartusII8.0AVRstudioDesignExplorer程CPLD源程LIBRARYUSEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;USEentityultra_sonicport(sig_in: instd_logic; instd_logic;rst:instd_logic; instd_logic_vector(2downto0); outstd_logic;sig_out:out outstd_logic_vector(11downtoENDarchitectureultra_sonicofultra_sonictypestateis(ready,b1,b2,b3,b4,b5,ow);signalmachine_state:state;signalfinish:std_logicsignalcnt:std_logic_vector(15downto0):=(OTHERS=>'0');signalsig:STD_LOGIC;signalblock1:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0):=(OTHERS=>'0');signalblock2:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0):=(OTHERS=>'0');signalblock3:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0):=(OTHERS=>'0');signalblock4:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0):=(OTHERS=>'0');signalblock5:STD_LOGIC_VECTOR(11DOWNTO0):=(OTHERSsignalcounter:std_logic_vector(11downto0):=(others=>'0');signalsim :std_logic_vector(11downto0):=(others=>'0');if(rst='0')elsif(clk'eventandclk='1')--if(cnt="1111111111111111")if(cnt="10100") casemachine_stateiswhenb1=>if(block1<"111111111111")thenblock1<=block1+1;endif;whenb2=>if(block2<"111111111111")thenblock2<=block2+1;endif;whenb3=>if(block3<"111111111111")thenblock3<=block3+1;endif;whenb4=>if(block4<"111111111111")thenblock4<=block4+1;endif;whenb5=>if(block5<"111111111111")thenblock5<=block5+1;endif;whenOTHERS=>NULL;endendendif;endprocess;

if(cnt<="0000000000000011")if(cnt<"00110")thensig<='1';elsesig<='0';endif(clk'eventandclk='0')if(sig_in='1')thensim<=sim+1;if(sim="1")thencasemachine_stateiswhenready=>machine_state<=b1;whenb1 =>machine_state<=b2;whenb2 =>machine_state<=b3;whenb3 =>machine_state<=b4;whenb4 =>machine_state<=b5;whenb5 =>machine_state<=ow;whenow =>machine_state<=ow;whenOTHERS=>NULL;endcase;endif;elsesim<=(others=>'0');endendendendif(finish='1')thencasekey_iniswhenwhen"001"=>if(block1="111111111111")thenend

when"010"=>if(block2="111111111111")thenend

when"011"=>if(block3="111111111111")thenend

when"100"=>if(block4="111111111111")thenend

when"101"=>if(block5="111111111111")thenend

whenendcase;endendENDAVR单片机源程 常量定 //AVRapplicationbuilder:2010-04-06//Target://Crystal:#include<avr/io.h>#include<avr/interrupt.h> 常量定 //1s软件定时器溢出值，200个5ms#defineV_T1s #defineCrystal#defineBaud1200 变量定 unsignedcharunsignedchar1sunsignedchar1sunsignedcharvolatileunsignedchar//unsignedcharunsignedcharunsignedintunsignedcharvolatileunsignedcharunsignedchar*hhigh;unsignedchar*llow;//0unsignedchar*llength1,*llength2,*llength3;unsignedcharlow[6];unsignedcharhigh[6];unsignedintunsignedintlength1,length2,length3,pulsenum;unsignedcharflag;unsignedint//unsignedchar 函数定 7 DATA：需要显示的数字或符号 7D7~0PGFEDCBAunsignedcharNUMTOSEG7(unsignedchar{unsignedcharAA;switch(DATA){case0:AA=0xc0;break;//case1:AA=0xf9;break;//case2:AA=0xa4;break;//case3:AA=0xb0;break;//case4:AA=0x99;break;//case5:AA=0x92;break;//case6:AA=0x82;break;//case7:AA=0xf8;break;//case8:AA=0x80;break;//case9:AA=0x90;break;//‘9’case10:AA=0x88;break;//‘A’case11:AA=0x83;break;//‘B’case12:AA=0xc6;break;//‘C’case13:AA=0xa1;break;//‘D’case14:AA=0x86;break;//‘E’case15:AA=0x8e;break;//‘F’caseAA=0xdf;break;破折号case'_':AA=0xf7;break下划线case'':AA=0xff;break;//消隐default:AA=0xff;break;}}voiddisy_led(unsignedcharseg,unsignedchar{unsignedchar//selPORTA&= //PA7=0;for{if((sel&0x80)==0)//最送U2SERPORTA&=~(1<<PA5);//PORTA|= //PORTA&= PORTA|= //PA6=1srclk=1sel //sel}//seg74hc595for(i=0;i<8;i++){if((seg&0x80)==0)//最送U2SERPORTA&=~(1<<PA5);PORTA|= PORTA&= PORTA|= //PA6=1srclk=1seg //seg}PORTA|= //PA7=1;PORTA&= //PA7=0;rclk=0，产生锁存输出信第第PAGE32}void{PORTA0x00;PAPA0~PA4作为输入,DDRA=0xe0;PAPA7、PA6、PA5PORTB0x00/PBDDRB=0x00;//PBPORTC0xf0;//PCPC7、PC6、PC5、PC4DDRC=0x0fPC0~PC2作为输出PORTD0x00;PDDDRD=0x04;UCSRB= UCSRA UCSRC= //0000//8位字符，1UBRRL=(Crystal/8/(Baud+1))%256;//若为正常异步模式USX=0则UBRRH=(Crystal/8/(Baud+1))/256;//参见ATMAGE16UCSRB=0xD8//允许发送}//TIMER0initialize-//WGM://desiredvalue://actualvalue:200.321Hz(0.2%)voidtimer0_init(void){TCCR0=0x00;//stopTCNT0=0x64;//setcountOCR0=0x9C;//setcompare TCCR0=0x04;//start 第PAGE第PAGE35}ISR(TIMER0_OVF_vect)//定时器05ms{TCNT00x64;//reloadcountervalueoutput_sel=0x00;//此处应初始化{}{}

PORTC&=PORTC|=***检测到按键被按下（0）时，相应的指示灯亮ifPINC&(1<<PC7))==0)//PC4,C4count=(count+1)%6;//led1led2led3block/*if(flag1>=7)else//countled,PC0switch{caseled1=1;led2=1;led3=1;PORTC&=~(1<<PC0);PORTC&=~(1<<PC1);PORTC&=caseled1=0;led2=1;led3=1;PORTC|=(1<<PC0);PORTC&=~(1<<PC1);PORTC&=caseled1=1;led2=0;led3=1;PORTC&=~(1<<PC0);PORTC|=(1<<PC1);PORTC&=~(1<<PC2);caseled1=0;led2=0;led3=1;PORTC|=(1<<PC0);PORTC|=(1<<PC1);PORTC&=~(1<<PC2);caseled1=1;led2=1;led3=0;PORTC&=~(1<<PC0);PORTC&=~(1<<PC1);PORTC|=(1<<PC2);caseled1=0;led2=1;led3=0;PORTC|=(1<<PC0);PORTC&=~(1<<PC1);PORTC|=(1<<PC2);led1=1;led2=1;led3=1;PORTC&=~(1<<PC0);PORTC&=~(1<<PC1);PORTC&=}//SW2ifPINC&(1<<PC5))==0)//PC6,C6{}/*else

//SW3,ifPINC&(1<<PC6))==0)//PC6,C6PORTC&=PORTC|={}{}

led4=led4=//SW4,/*if((PINC&(1<<PC7))==0)//PC7,C7led4=led4={}{

第第PAGE37}if((PINA&(1<<PA4))==0x00)//iffinish=0,pa4=0anddetectionisnot{}{

low[count]PINB&(0xff//length8high[count]PINA&(0x0f);//length8 high[count]=length[count]=//length[count]=//length[count]if(count!=0)length[count]length[count]*5/2;//length/2/(50*10^6)*2500*100*1000digi[0]=length[count]/1000;//计算千位数digi[1](length[count]%1000)/100;计算百位数digi[2]=(length[count]%100)/10;//计算十位数digi[3]=(length[count]%10);//计算个位数}{} 第PAGE第PAGE38145ms间隔对一个数码管进行驱动，20ms回if(++digi_scaner>=5)digi_scaner=1;output_sel=led1*16+led2*32+led3*64+led4*128;四个发光管送高四位switch(digi_scaner){case1:output_sel+=output_8seg=NUMTOSEG7(digi[0]);case2:output_sel+=output_8seg=NUMTOSEG7(digi[1])+0x80;case3:output_sel+=output_8segNUMTOSEG7(digi[2]);显示小数点case4:output_sel+=output_8seg=NUMTOSEG7(digi[3]);}disy_led(output_8seg,output_sel);//串转并输}void{}//callthisroutinetoinitializeallperipheralsvoidinit_devices(void){//stoperrantinterruptsuntilsetupcli();//disableallinterruptsMCUCR=0x00;GICR=0x00;TIMSK=0x01;//timerinterruptsourcessei();//re-enableinterrupts//allperipheralsarenow}int{init_devices(//主循环，本例中，在T0环{}}第第PAGE40#include<avr/io.h>#include<avr/interrupt.h> //externunsignedchar*//externunsignedchar*externunsignedintlength1,length2,length3;externunsignedintlength[6];voidultra_sound_parse_cmd(intcharbuildInfoFrame(&frame_received,0x00,0x00,0x00,0x000x00,a);//清

charerrorinfo=parseFrame(&frame_received,str_received,lengthOfReceived);if(frame_received.adr!=1)return;//地址不匹配if(errorinfo!=0){//解析buildInfoFrame(&frame_to_send,0x10,0x00,frame_received.cmd1_rspd,}//buildInfoFrame(&frame_to_send,0x10,0x00,0x00,0x04,0x00,a);} buildInfoFrame(&frame_to_send,0x10,0x00,0x00,0x00,0x00, }//测量//buildInfoFrame(&frame_to_send,0x10,0x00,0x01,0x04,0x0a,a);}buildInfoFrame(&frame_to_send,0x10,0x00,0x01,0x00,0x0a,a);}buildInfoFrame(&frame_to_send,0x10,0x00,frame_received.cmd1_rspd,0x03,0x00,a);} 第PAGE第PAGE42 //发送和接chartemp UCSRB=0xD8; if(temp!='~')}}} #include<avr/io.h>#includestructInfoFrameframe_received;structInfoFrameframe_to_send;charstr_to_send[14+(MAX_INFO_LENGTH<<1)];charintcursor_send=0;intcursor_receive=0;intsend_length=0;intreceive_length=0;charcalcChkSum(structInfoFrame*{ infoframe->cmd2_rtn+infoframe->length));inti=for(;i<infoframe->length;i++)temp=(char)(temp+infoframe-}return(char)(~temp+}//voidbuildInfoFrame(structInfoFrame*infoframe,charVER,charADR,charCMD1_RSPD,charCMD2_RTN,charLENGTH,char*INFO){infoframe->ver=VER;infoframe->adr=infoframe->cmd1_rspd=CMD1_RSPD;infoframe->cmd2_rtn=CMD2_RTN;infoframe->length=LENGTH;inti=for(;i<infoframe->length;i++){infoframe->info[i]=INFO[i];}infoframe->chksum=}chartoDoubleChar_high(charb){unsignedcharhigh=b/16;if(high>9)return(char)('A'+high-10);elsereturn(char)('0'+high);}chartoDoubleChar_low(charb){unsignedcharlow=b%16;if(low>9)return(char)('A'+low-10);elsereturn(char)('0'+low);}chartoSingleChar(charhigh,charlow){if(high>='A')high-=('A'-10);elsehigh-='0';if(low>='A')low-=('A'-10);elselow-='0';return(high<<4)+low;}intencode(structInfoFrame*infoframe,char*{int}return14+((infoframe-}charparseFrame(structInfoFrame*infoframe,char*str,int{intstartIndex=0;if}if(startIndex>=lengthOfStr)returnif(lengthOfStr<14)return255;char*temp;temp=infoframe->ver=toSingleChar(temp[0],temp[1]);infoframe->adr=toSingleChar(temp[0],infofr