基于CPLD和單片機(jī)的高精度超聲波測距研究

1、設(shè)計與應(yīng)用文章編號：（）中文核心期刊微計算機(jī)信息（嵌入式與）年第卷第期基于和單片機(jī)的高精度超聲波測距研究（江西理工大學(xué)）劉建生，程鐵棟楊麗榮摘要：提出了一種基于和單片機(jī)的高精度超聲波測距的設(shè)計方案。測距中的時間是通過高精度的晶體震蕩器作為時鐘信號源來進(jìn)行計數(shù)測量。同時使用代替常用的單片機(jī)的純軟件方法實現(xiàn)動作控制，以減少誤差。在電路設(shè)計中，充分考慮了延時所造成的誤差并予以克服。關(guān)鍵詞：；單片機(jī)；超聲波測距中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：技術(shù)創(chuàng)新：，：，引言以往利用超聲波測量距離往往采用單片機(jī)單機(jī)系統(tǒng)（由單片機(jī)軟件控制發(fā)射、接收及計數(shù)器的關(guān)停與啟動），這種方法所帶來的誤差在厘米級。原因主要有：單片機(jī)計數(shù)器

2、頻率較低造成的誤差；計數(shù)與發(fā)射信號由軟件控制動作而產(chǎn)生的不同步；超聲波傳感器接收到信號與單片機(jī)檢測到信號之間不同步等。本文給出一種以為控制核心的基于超聲波測距原理的測量方法。經(jīng)過制版測試，所得結(jié)果提高到毫米級，而且電路原理較為簡單。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理總系統(tǒng)框圖如圖所示。系統(tǒng)由控制電路模塊、單片機(jī)控制模塊（包括溫度傳感器和顯示部分）和超聲波傳感器模塊（包括信號的發(fā)送，接收與整形）組成?？刂齐娐纺K通過控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波到固定端面，同時啟動高精度計數(shù)器開始計數(shù)。超聲波波前經(jīng)反射后由接收端接收，當(dāng)接收到第一個反射波信號即停止計數(shù)，并將計數(shù)器值送入單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)計數(shù)器值計算出時間間隔。再經(jīng)過溫

3、度修正計算出超聲波速度，最后利用（）式計算出發(fā)射器到反射點的距離，并顯示結(jié)果。超聲波測距的原理超聲波測距的原理一般采用回波測距法，即測量超聲波發(fā)射到遇到障礙物返回的時間間隔，然后根據(jù)（）式計算距離值。（）式中，距離；聲波在介質(zhì)中傳輸速率；聲波傳輸?shù)乃?jīng)歷的時間。聲波在空氣中傳輸速率為：!式中，絕對溫度；。（）本文給出的系統(tǒng)以為核心來控制超聲波的發(fā)射，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播遇到障礙物時則返回。當(dāng)檢測到第一個反射波時立即停止計時，測得時間。劉建生：副教授圖模塊設(shè)計模塊包括個部分，分別為位計數(shù)器，例元：設(shè)計與應(yīng)用使為低電平，此時狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)，并向單片機(jī)發(fā)出信號通知單片機(jī)讀取計

4、數(shù)器數(shù)據(jù)。有限狀態(tài)機(jī)描述如下：標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生器，四選一數(shù)據(jù)選擇器，計數(shù)器控制電路和一個簡單的有限狀態(tài)機(jī)。其內(nèi)部框圖如圖所示。工作原理：有限狀態(tài)機(jī)輸出清零信號后，置為高電平，觸發(fā)器在下一個時鐘脈沖下降沿置端為高電平。使能信號控制計數(shù)器開始計數(shù)，同時打開緩沖門讓方波信號驅(qū)動發(fā)射超聲波。整形接收電路對接收器接收到的波前進(jìn)行整形并輸出一高電平到計數(shù)器控制電路，此低電平作為計數(shù)器控制電路的時鐘信號。控制電路在時鐘信號到達(dá)后引腳輸出一低電平使使能信號，關(guān)閉計數(shù)器和方波驅(qū)動的發(fā)送。有限狀態(tài)機(jī)等待單片機(jī)取走計數(shù)值后開始下一個循環(huán)計數(shù)工作。位標(biāo)準(zhǔn)頻率計數(shù)器此處采用的晶體震蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號源。這一頻率精度影響系

5、統(tǒng)的測量精度。計數(shù)和發(fā)射動作同時進(jìn)行。因為一個脈沖的周期為，假定超聲波的速度為，一個脈沖丟失造成的誤差僅為。計數(shù)器模塊結(jié)構(gòu)簡單，描述如下：（）；：（，）：（）；計數(shù)器控制電路觸發(fā)器在信號置以后，在時鐘信號的上升沿使端輸出高電平。同時此高電平被使能信號送入超聲波發(fā)射器。此波前被固定端面反射后有半波損失，到達(dá)接收應(yīng)產(chǎn)生度相移。當(dāng)計數(shù)器控制電路的時鐘信號由低變?yōu)楦唠娖綍r，在時鐘信號的上升沿輸出，停止計數(shù)器計數(shù)。計數(shù)器控制電路描述如下：技術(shù)創(chuàng)新（，）：；數(shù)據(jù)選擇器多路數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)選擇信號線由單片機(jī)的兩個引腳控制。在單片機(jī)兩個引腳上的不同邏輯組合輸入下，模塊將位數(shù)據(jù)逐次送入單片機(jī)。數(shù)據(jù)選擇器的描述語

6、言如下：圖有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。和單片機(jī)的握手信號直接取自的方波驅(qū)動信號，以確保同步性。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或接收到單片機(jī)發(fā)出的讀數(shù)據(jù)完成信號有效時，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)同時清零并置為低電平。在下一時鐘狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)，同時置，啟動觸發(fā)器開始發(fā)射方波信號并計數(shù)。當(dāng)反射波波前到達(dá)接收電路后計數(shù)器控制電路（）”（）”（）”（）”（）單片機(jī)控制模塊單片機(jī)控制模塊硬件包括距離顯示、模塊接口、和讀取溫度三部分。單片機(jī)顯示電路較為簡單，在此不做介紹。單片機(jī)和模塊接口控制由軟件實現(xiàn)。由狀態(tài)機(jī)發(fā)送過來的信號設(shè)置為技術(shù)應(yīng)用例：元年設(shè)計與應(yīng)用中文核心期刊微計算機(jī)信息（嵌入式與）年第卷第期外部中斷，單片機(jī)完成一次距離顯

7、示后即開中斷接收下一組計數(shù)器數(shù)據(jù)。用于溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葴y量傳感器采用的一線式傳感器。它具有接口簡單（僅須一根數(shù)據(jù)線）測量范圍廣、精度高的（在不適合戶外使用。）超聲波波長在左右，如果干擾造成接收電路誤動作造成的誤差至少是。所以接收整形電路的穩(wěn)定性、有效性極其關(guān)鍵。超聲波適用于測量較長距離。內(nèi)精度為±）特點。在溫度變化范圍不大的場合單片機(jī)得到溫度值后，可以通過查表實現(xiàn)聲波在空氣中傳輸速率的測量。）對于距離不發(fā)生突變的場合，單片機(jī)軟件可以利用中值濾波技術(shù)減少誤差。超聲波發(fā)射與接收本系統(tǒng)采用的超聲波傳感器（換能器）是中心頻率為的專用型超聲波探頭和。因為超聲波接收器接收的反射波信號很微弱并含有干

8、擾信號，所以必須進(jìn)行放大調(diào)整。接收電路采用了兩級放大電路和波形整形電路，最后輸出到的計數(shù)控制電路的時鐘端。當(dāng)沒有接收到信號變化時，引腳是低電平；接收到第一個信號是方波脈沖信號的上升沿。為了消除干擾，采用了硬件濾波。）接收整形電路造成的時延也是誤差來源之一。參考文獻(xiàn)：潘松技術(shù)實用教程科學(xué)出版社，陳志斌，卓家靖基于單片機(jī)和的嵌入式脈沖發(fā)生器設(shè)，微計算機(jī)信息：宗光華機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計與實踐北京航空航天大學(xué)出版社，作者簡介：劉建生，男，（），漢族，副教授，主要從事信息與計算科學(xué)專業(yè)的教學(xué)與研究：技術(shù)創(chuàng)新放大、整形、濾如圖所示。超聲波信號經(jīng)電壓提升、波后作為時鐘信號送入的計數(shù)器控制模塊。：，（），（贛州江

9、西理工大學(xué)理學(xué)院）劉建生程鐵棟楊麗榮（，），（投稿日期：）（修稿日期：）圖系統(tǒng)測試結(jié)果本系統(tǒng)采用公司的的芯片和常用的單片機(jī)實現(xiàn)。采用自制的板對系統(tǒng)的距離測量進(jìn)行驗證并和單片機(jī)單機(jī)測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實驗環(huán)境：室內(nèi)，室溫：；相對濕度：。；距離單位：；根據(jù)距離不同記錄下了次實驗結(jié)果。每次實驗測量數(shù)據(jù)組（此處省略）取平均值，結(jié)果如下表：（接頁）結(jié)論系列單片機(jī)在視覺檢測運動平臺的設(shè)計中得到了很好的應(yīng)用，此視覺檢測平臺結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大，它不但能對單幅面的圖像信息檢測和測量，而且其設(shè)備的高精度二維運動平臺可以從不同位置對物體進(jìn)行取像，由圖像處理單元對圖像實現(xiàn)高精度拼接后進(jìn)行檢測和測量，其拼接過程由軟件自動完成二次精密校準(zhǔn)和雙重加權(quán)圖像重建，圖像的測量不再依靠平臺運動的機(jī)械精度。本文作者的創(chuàng)新點是：視覺檢測運動平臺的設(shè)計，實現(xiàn)對大幅面圖像高精度的拼接參考文獻(xiàn)：陳茂勇郭西進(jìn)基于單片機(jī)的智能無功補(bǔ)償控制器的設(shè)計微計算機(jī)信息，：作者簡介：張永楓，男，長春吉林人，副教授，研究方向：數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在每次實驗的組數(shù)據(jù)中本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)方差明顯小于單片機(jī)單機(jī)測量方差；每次實驗中本系統(tǒng)