超聲波測距(高度定位控制和測量系統(tǒng))3圖俱全

PAGEPAGE2目錄摘要 5第一章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 71.1超聲波測距原理 71.2超聲波測距系統(tǒng) 7第二章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 82.1超聲波發(fā)生電路 82.2超聲波接收電路 92.3溫度的補(bǔ)償 112.4LED動(dòng)態(tài)顯示電路 11第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 123.1主程序結(jié)構(gòu) 133.2中斷程序結(jié)構(gòu) 143.3回波接收程序 14第四章誤差分析 154.1.時(shí)間誤差 154.2.超聲波傳播速度誤差 15第五章調(diào)試 15第六章整機(jī)原件清單 16第七章總結(jié) 167.1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況 167.2心得體會(huì) 17參考文獻(xiàn) 18附錄一 19附錄二 20附錄三 21摘要高度定位控制和測量系統(tǒng)也就是我們常說的超聲波測距。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。而電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展，使高度定位控制和測量系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展。

超聲測距是一種非接觸式的檢測技術(shù)。與其它方法相比，它不受光線、被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨率，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高;而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。關(guān)鍵字：傳感器、測距、測量系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、高度定位PICKHighlypositioningcontrolandmeasurementsystemisalsoweoftensaytheultrasonicranging.Duetothestrong,theenergyconsumptionofultrasonicdirectivityslowlyinthemediumofcommunication,distance,andisoftenusedtomeasurethedistanceofultrasonic,suchasrangefinderandmateriallevelmeasurementinstrumentetccanallthroughtheultrasonic.Andelectronictechnologyandthedevelopmentofpiezoelectricceramicmaterials,highpositioningcontrolandmeasuringsystemshavebeendevelopedrapidly.Ultrasonicrangingisanon-contactdetectiontechnologies.Comparedwithothermethods,itislightanddarkness,theanalyteindust,smoke,electromagneticinterference,toxicetcharshenvironmentshavecertainabilitytoadapt.Therefore,inrobotcontrollevelmeasurement,vehiclenavigation,automaticobjectrecognitioniswidelyused.Especiallytheapplicationintheair,theairvelocityrangeduetolow,theechosignalalongthedirectionofpropagationofcontainsinformationonthestructure,veryeasilywithhighresolution,anditsaccuracyishigherthanothermethodsfor,Andtheultrasonicsensorhassimplestructure,smallvolume,thecharacteristicsuchasbeingreliablesignalprocessing.Keywords:sensor,andmeasurementsystem,thedesign,thehighposition第一章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案1.1超聲波測距原理超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。測距的公式表示為：L=C×T

式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度其中，取值在溫度變化不大時(shí)可取344m/s；T為測量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。

由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測量精度，在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測量精度，所以就需要對(duì)相關(guān)電路等進(jìn)行具體細(xì)致的改進(jìn)。1.2超聲波測距系統(tǒng)一般的超聲波測距系統(tǒng)由超聲換能器、換能器驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。超聲換能器是用來發(fā)射和接受超聲信號(hào)；換能器驅(qū)動(dòng)電路用來產(chǎn)生一定頻率的交變電壓作為換能器的工作電源；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于捕捉、采集回波信號(hào)，一般由觸發(fā)電路、采樣電路、微處理器組成。如LM1812是一種超聲波測距的專用集成電路，它擁有換能驅(qū)動(dòng)、回波觸發(fā)等功能。如圖1.1，為超聲波測距系統(tǒng)框圖，由發(fā)射傳感器和接受傳感器，振蕩電路、時(shí)基電路，距離識(shí)別電路等組成。振蕩電路、時(shí)基電路由LM1812完成。第二章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1超聲波發(fā)生電路超聲波的回波信號(hào)較弱，在距離遠(yuǎn)的情況下只能達(dá)到毫伏級(jí)。所以為了加大超聲波測距系統(tǒng)的量程范圍就要加入驅(qū)動(dòng)電路。一般采用MAX202雙路形式來增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)形式，其中T1out和T2out電壓值可達(dá)到V。圖中的三極管可作為MAX202的開關(guān)，用單片機(jī)引腳P0.4控制。T1in和T2in來自單片機(jī)，經(jīng)過202輸出負(fù)邏輯電平。T1in和T2in以80KHz頻率高低電平正負(fù)交替變換時(shí)候，在T1out和T2out之間就會(huì)產(chǎn)生40KHz的方波，引腳電壓在V交替變化，如此就增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。如下圖2.1超聲波發(fā)生電路圖。三極管為開關(guān)，在發(fā)射完10個(gè)超聲波后可以關(guān)閉MAX202，這樣可以減少電源帶來的一定的干擾。2.2超聲波接收電路超聲波接收電路圖，如下。為了提高精度，減少干擾，設(shè)計(jì)中采用了抗干擾技術(shù)對(duì)電路的供電進(jìn)行了一定的處理。運(yùn)放采用雙電源供電，這一電路采用了9V供電，所以運(yùn)放提供了2.5V的正向電壓，如此就使交流信號(hào)正負(fù)端等價(jià)進(jìn)行放大。超聲波接收時(shí)，電容起濾波作用，信號(hào)進(jìn)入放大后被傳送到LMV331.如此，比較器的輸出端得到40KHZ的方波被輸入單片機(jī)INT0用來產(chǎn)生中斷計(jì)時(shí)。其中，第一級(jí)放大20倍左右，第二級(jí)放大10000倍（均值）。減小盲區(qū)就是通過在發(fā)射超聲波之前做一次循環(huán)指令將增加到最大值來實(shí)現(xiàn)。比較器這一部分調(diào)節(jié)不當(dāng)也會(huì)出現(xiàn)大問題（輸出端會(huì)有高頻輸出），這是因?yàn)楸容^器相對(duì)靈敏，變化小的信號(hào)就會(huì)引起大的輸出，使VOH和VOL相互轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)中一般用比較器的正反饋產(chǎn)生滯環(huán)特性來降低比較器的靈敏度，這樣就減少了干擾。另外，比較器的輸入端需要穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，所以要加電容，用來穩(wěn)定電壓和提高電路工作的穩(wěn)定性。2.3溫度的補(bǔ)償溫度對(duì)超聲波速度影響很大。使用DS18B20進(jìn)行溫度測控，它的測量范圍寬，精度高。近似計(jì)算公式為：V=331.4+0.6Tm/s（V為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度）2.4LED動(dòng)態(tài)顯示電路下圖為LED顯示電路，為了增加亮度，可以采用74HC245加以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，在共陰端用ULN2003來驅(qū)動(dòng)。4位LED動(dòng)態(tài)顯示需要一個(gè)7位I/O口和另外4位I/O口，其中一個(gè)控制段選碼，另一個(gè)控制位選碼。由于所有位的段選都有一個(gè)I/O口的控制，因此每個(gè)瞬間，只能顯示相同的字符，可采用掃描顯示方式使在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符，即LED的動(dòng)態(tài)顯示。第三章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件要實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)以上敘述，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：信號(hào)控制、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸與顯示。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。而在這幾個(gè)部分中，最主要的、難度最大的就要數(shù)主程序結(jié)構(gòu)了，它的設(shè)計(jì)好壞直接關(guān)系整個(gè)課題的效果。3.1主程序結(jié)構(gòu)主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序和中斷服務(wù)程序。主程序流程如下圖：3.2中斷程序結(jié)構(gòu)中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40KHz脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中要從把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并保存在RAM中，再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后顯示輸出。3.3回波接收程序回波接收程序流程圖：第四章誤差分析根據(jù)超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。

4.1.時(shí)間誤差

當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s

(20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t

≈0.0000029s

即2.9ms。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。4.2.超聲波傳播速度誤差

超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。

對(duì)于超聲波測距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s,

30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m，測量所以在測量的時(shí)候應(yīng)該盡力使測量地點(diǎn)的溫度處于一個(gè)合適的值。第五章調(diào)試超聲波測距儀的調(diào)試比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用模塊直接實(shí)現(xiàn)。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。第六章整機(jī)原件清單元件名稱元件數(shù)量元件名稱元件數(shù)量MAX2021LMV3313LM3171DPYGREEN4TRANS1C689C511R16Y9313W1RT1RECM174LS144第七章總結(jié)7.1設(shè)計(jì)任務(wù)完成情況通過為期兩周的課程設(shè)計(jì)，完成了本次設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)。剛開始設(shè)計(jì)的時(shí)候，完全找不到方向，后來通過自己查找資料，慢慢的有了一定的了解。本課題中最主要的就是對(duì)主程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，完成了它后，整個(gè)大體框架就完成了。最后，按照如此設(shè)計(jì)，所要求的技術(shù)指標(biāo)基本可以達(dá)到。7.2心得體會(huì)課程設(shè)計(jì)終于完成了。這次讓我體會(huì)到設(shè)計(jì)電路、連接電路、調(diào)測電路過程中的樂苦與甜。設(shè)計(jì)是我們將來必需的技能，而這次設(shè)計(jì)恰恰給我提供了一個(gè)鍛煉的機(jī)會(huì)，從到圖書館查找資料到對(duì)電路的設(shè)計(jì)對(duì)電路的調(diào)試再到最后電路的成型，都對(duì)我所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了檢驗(yàn)。在做這個(gè)課題的過程中，我覺得重要的不是結(jié)果而是其中所學(xué)習(xí)到的東西，有時(shí)候可能靈感閃現(xiàn)，覺得自己找到了好辦法來解決一些問題，但是實(shí)際操作之下，才明白有時(shí)候理論上成立，但是實(shí)際中根本不具備可操作性，這也許就是理論與實(shí)踐的差距吧！現(xiàn)在才覺得就是在這許多的錯(cuò)誤中不斷的改變方法，調(diào)整思路，才最終完成了這個(gè)艱巨的任務(wù)。通過一周不懈的努力，終于完成了這項(xiàng)課程設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離，也就是我們所說的實(shí)現(xiàn)了高度定位控制和測量系統(tǒng)；最后以數(shù)字的形式顯示測量距離。此次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，制作過程是一個(gè)考驗(yàn)人耐心的過程，不能有絲毫的馬虎，對(duì)電路的調(diào)試不能急躁，對(duì)出現(xiàn)的問題一定要冷靜