电子论文全方位超声测距系统报告书.docx
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电子论文全方位超声测距系统报告书
广东机电学院
电子信息学院
项目名称：
全方位超声测距系统
项目类别：
电子设计
组队方式：
三人一组
队长：
张提升
队员：
张提升李大乾尹朝亮
全方位超声测距系统
作者：
张提升李大乾尹朝亮
指导老师：
黄根春
摘要：
本设计基于超声波测距原理，以单片机（AT89S52）+CPLD作为控制核心，采用渡越时间测量法测距，步进电机配合完成正反转等各种动作，实现了全方位超声测距。
系统可在LCD上实时显示温度、距离和角度。
本设计考虑到温度会对本系统测量的影响，根据超声波传播速度与温度的数学补偿公式，采取软件编程的方式予以科学合理的补偿，大大减少了温度变化对测量的影响，提高了测量精度。
另一方面，在实现计数功能的设计方面，我们用CPLD芯片取代了单片机外围扩展硬件电路，提高了计数的稳定性、可靠性、精确度，从而提高了超声波往返时间t的测量精度，最终达到了提高测距精度的目的。
步进电机采用四相八拍工作方式，步进0.9，相角测量也达到了很高的精度。
关键字：
超声波CPLD电动机单片机渡越时间测量法。
注释：
本设计技术是雷达原理的的缩影，是用来精密测量周围360度内的物体，并能准确判断方向，是对专业高科技技术的很好的学习和应用，有利于今后的学习和深造。
它的意义是深远的。
1.系统设计…………………………………………………………4
1．1设计要求………………………………………………….4
1．1．1任务……………………………………………4
1．2设计总体方案……………………………………….....4
1．2．1设计思路和部分原理论证……………………4
（1）渡越时间测量法原理…………………………4
（2）超声波发射器原理……………………………5
（3）盲区及发、收时序……………………………6
（4温度补偿…………………………………………6
（5步进电机测相原理………………………………6
1.2.2方案论证与比较…………………………………10
（1）控制方案………………………………………10
（2）距离测量………………………………………10
（3）超声波发送脉冲的产生……………………….11
⒉硬件电路设计………………………………………………13
2.1超声波发送部分…………………………………………13
2.2回波接收及处理部分……………………………………13
2.3步进电机部分……………………………………………15
2.4显示部分…………………………………………………16
2.5CPLD部分………………………………………………16
2.6电源部分…………………………………………………16
3.硬件设计时的抗干扰技术……………………………………..18
3.1数字系统与模拟系统…………………………………………18
3.2电源的干扰与抑制……………………………………………19
3.3接地技术………………………………………………………20
3.4隔离技术与屏蔽线的使用……………………………………21
3.5滤波技术………………………………………………………22
3.6常用芯片的抗干扰措施………………………………………23
3.7自激振荡及其消除方法………………………………………24
3.8运放参数测量介绍……………………………………………26
4.软件设计………………………………………………………..29
4.1软件流程图…………………………………………………….30
4.2程序列单……………………………………………………….31
5．软件wave的使用方法…………………………………………...37
5.系统测试……………………………………………………………..68
5.1测量仪器及型号……………………………………………..68
5.2测试方法……………………………………………………..69
5.3测量数据……………………………………………………69
5.4实验误差分析………………………………………………....69
5.5结论……………………………………………………………70
参考文献………………………………………………………………70
附录元器件清单……………………………………………………71
后续……………………………………………………………………73
1．系统设计
1.1设计要求
1.1.1任务
设计并制作一个超声波测距系统，实现全方位距离的实时测量。
测量距离大于1米，并能测方向。
精度小于1cm，盲区尽量小。
1.2设计总体方案
1.2.1设计思路和部分原理论证
整个系统由发射、接收、回波处理、系统控制、显示、电机控制和电源七个部分组成。
发射部分的任务是将CPLD产生的40KHZ信号放大后提供给超声波换能器，由此将超声波发射出去；接收电路则接收由被测物反射回来的回波信号，然后经回波处理部分放大、滤波、整形、反相后形成宽脉冲触发信号对判决电路进行触发；系统控制电路的作用是对整个系统进行控制和管理；显示部分负责将距离、角度信息显示出来；电机部分则控制发射、接收换能器的动作，实现全方位扫描；电源为整个系统提供电源。
框图如下：
1．2．1图系统总体框图
（1）渡越时间测量法原理
检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。
渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。
考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离式声波传输距离的一半：
式中，
为待测距离，
为超声波的声速，
为渡越时间。
由下式计算测量误差
式中，
为测距误差，
为声速，
为时间测量误差，
为声速误差。
若要求测距误差小于0.01m，已知声速
＝344m/s（20℃时），忽略声速误差，那么测量时间的误差：
（6）
显然，直接用秒表测时间是不现实的。
因此，实现声波测距必须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测长精度。
我们利用CPLD的脉冲计数的方法，间
接测量时间，可以把声波的时间精度提高到所需的准确度，也就是把超声波往返时间转化为对计数脉冲个数N的测量，所以上式可写成
式中，S为等效标尺，
，
为计数脉冲的频率，
为声速，所以
在本系统中，计数脉冲的频率
＝40MHz。
（2）超声波发射器原理
总体上讲超声波发生器可以分为两大类:
一类使用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型，磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
我们选用压电型。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部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,便产生超声波。
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,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。
经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成40KHz左右、具有一定间隔的调制脉冲波信号。
（3）盲区及发、收时序
由于电声换能器的电气阻尼振荡和机械阻尼振动共同作用下，产生余振阻尼衰减信号，在换能器由发射状态转入接收状态后，首先接收到的信号是这种余振信号（绕射），在此信号衰减到足够小的时间内，换能器接收到的回波信号与阻尼衰减信号叠加混淆，使电路鉴别不出真正的回波。
在这段时间内收到的回波，系统应对其进行屏蔽，以免发生误判。
这样就导致了盲区的产生。
工作时序示意图如下：
其中a脉冲为发送端的置位脉冲，同时作为计时器的起始脉冲；b脉冲为虚假脉冲（由绕射产生，应避开）；a、b的时间间隔为盲区；c脉冲为接受端接收到的有效回波脉冲，用于停止计时器的计时。
程序的主要任务就是检测a、c脉冲，以启停计时器的计时，进而得出时间，再由数据处理、修正单元计算出实际距离，然后供显示。
（4）温度补偿
声音在25℃空气中传播速度的理论值为344m/s，这个速度在0℃时降为334m/s。
超声波在媒质中的传播速度和温度关系很大，为提高测距精度，我们必须要采取温度补偿措施，降低温度变化对测量精度的影响。
声速和温度的关系可以用以下公式来表示:
=
（m/s）
我们采用数字温度传感器DS18B20测温，然后利用上式算出当前声速，从而得到精确的距离。
（5）步进电机测相原理
步进电机有两种基本的形式：
可变磁阻型和混和型。
步进电机的基本工作原理，结合图1的结构示意图进行叙述。
图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。
这种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。
线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。
八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。
它的工作过程是这样的：
当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。
为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。
在图1（a）中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。
从这个位置再对B相进行激励，如图1中的（b），转子向反时针转过15°。
若是D相被激励，如图1中的（c），则转子为顺时针转过15°。
下一步是C相被激励。
因为C相有两种可能性：
A—B—C—D或A—D—C—B。
一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。
但每步都使转子转动15°。
电机步长（步距角）是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。
改变控制绕组数（相数）或极数（转子齿数），可以改变步长的大小。
它们之间的相互关系，可由下式计算：
Lθ＝360P×N
式中：
Lθ为步长；P为相数；N为转子齿数。
在图1中，步长为15°，表示电机转一圈需要24步。
混和步进电机的工作原理
在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。
但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。
但结构上稍有不同。
例如它的转子嵌有永磁铁。
激励磁通平行于X轴。
一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如图2a所示。
或者接成两个三端形式，如图2b所示。
每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。
图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。
它的驱动电压是固定的。
表1列出了全部步进开关的逻辑时序。
其中，用“ON”代表“1”，“OFF”代表“0”。
四相混和型步进电机，有一特点很有用处。
它可以用半步方式驱动。
就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。
用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。
四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。
这可以用串联电阻进行降压。
因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。
值得注意的是，电机步进为1—2—3—4的顺序。
在同一时间，有两相被激励。
但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。
由此上述原理即可设计出步进电机的驱动时序。
我们选用四相步进电机,其中有四个电磁铁线圈,也就是有四相,每两个组成一组,如下图所示.
对A相加脉冲时,在外侧定子线圈的上方为N极,下方为S极.于是永磁铁的转子被吸引,S极在上侧面N极在下侧,若对B加脉冲,则定子的右侧为N极,左侧为S极,转子向右
方向.再往下,由于加上
相
相脉冲,转子向右转动.
这样在电机上按A相
B相
相
相顺序加上脉冲,则电机可继续向右旋转.而且,这时的转速与所加脉冲的频率成比例.也就是频率低转速慢,频率高转速快,电机的转速完全能由数字决定.表示电机的规格时用一个脉冲所旋转的角度,或旋转一周所需要的脉冲数,本电机为
/脉冲.FPGA发给步进电机的脉冲为40KHZ,所以步进电机转
需要的时间t:
满足题目步进电机在100秒内转动一周（360）的要求。
步进电机在40KHZ脉冲的控制下，将准确地每次转动0.9度，对40KHZ的脉冲计数，就可准确得到对应的角度。
1.2.2方案论证与比较
（1）控制方案
方案一：
单片机方案；采用单片机定时器产生超声波发射器所需40K方波，发射时间由单片机测取。
步进电机亦由单片机控制。
当按键输入开始扫描命令时，步进电机开始旋转，超声波发射器开始发射一次超声波群，同时开始计时，当超声波接收器接受到经反射得到的回波时，单片机产生一次中断，中断中停止计时得到所需时间数据（步进电机计时器不停），计算得到障碍物的距离、角度，显示并发往PC机。
然后开始下一次测量。
方案二：
单片机+CPLD方案；由CPLD产生超声波发射器所需的脉冲群和步进电机所需的驱动信号，以及记时工作；单片机控制装置的开始和结束以及每一次测量的起停。
每次测量由单片机计算处理、显示。
方案一系统规模小，有一定灵活性，但是需要的定时器数目很多，且单片机（89S52）产生40K的方波信号有较大误差，将使超声波发射接收装置的灵敏度降低，且控制难度大，控制效果不理想，难以达到题目要求。
方案二充分考虑了单片机控制功能力强和CPLD高速、易操作的特点，系统结构清晰、规模较小、可以实现复杂控制，且精度高，易于扩展。
鉴于以上分析，本系统使用方案二。
（2）距离测量
方案一：
相位检测法；通过比较发射波和反射波的相位，推算出时间t，进而得出距离。
此法精度高，但检测的范围有限。
且要做到精确的相位检测，硬件电路相当复杂。
方案二：
声波幅值检测法；检测回射波的幅值。
在发射功率一定的情况下，回射波幅值随测量距离的增大而衰减，而回射波幅至的大小将直接影响测量的精度。
此法易受反射波的影响，反射回波幅值的大小直接影响者测量的精度，在发*射功率一定的情况下，随着测量距离的增大，反射波幅度衰减较大，不易测量。
因此该方案只适合粗略测量，精度达不到题目中的要求。
方案三：
固定距离标定法；这种方法是指在现场先找一个固定距离SF进行测量，其回声时间为tF，这段声程内的声速为vF，然后对待测目标物进行测量，若收到目标物SF处的回声时间为tX，则：
式中SF、tF、tX都是已知的，且在相同条件下或两声速相差不大时，vF、vX可视为相同，两式相除得到：
只要精确地测量出标定距离，取得正确的标定回波和目标回波时间，就能使测距值SX达所要求的准确度。
此法对SF的依赖过大，在没有精确测量工具的前提下，不太可取。
而且，此法的主要目的就是避开温度不均对声速的影响，在实验室环境下，温度恒定，这种考虑就显得没有必要了。
方案四：
度越时间检测法；检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即度越时间。
度越时间与超声波在气体中传播速度相乘即得声波传播的距离。
此法不用考虑反射信号的大小，只检测反射信号的有无，通过精确的定时，即可求出距离。
适当的增大发射功率可测量较长的距离。
要做到一定精度的定时，可采用对较高频率脉冲计数的办法；对反射信号的检测只用检测其有无，不检测其大小，因此硬件电路将大大简化。
另外通过实时测温，得出当前温度，从而算出当前声速。
利用
就可以得到相当准确的结果。
鉴于以上分析，我们选用方案四。
（3）超声波发送脉冲的产生
方案一：
单片机产生；该方案既可以采用单片机定时器产生40K方波，又可以对单片机12MHz晶振进行300分频得到40K方波，但是这两种方法都有一个共同的缺点：
频率误差大。
这样就可能导致超声波发射器达不到最大功率，使测量范围受到影响。
另外，此方案对于谐振频率偏离40KHz的换能器显得有些束手无策。
方案二：
脉冲输出DDS（NCO）；其基本原理是：
以频率控制字K为步进，对相位增量进行累加，以累加器的最高位（进位位）作为输出，输出频率为：
其中，fc为参考时钟频率，N为累加器长度。
该方案稳定度和精度都特别高，而且输出频率可以任意设定，对于谐振频率偏离40KHz的换能器而已，完全不受影响。
鉴于以上分析，我们采用方案二。
⒉硬件电路设计
2.1超声波发送部分
超声波发送脉冲信号由CPLD产生,将脉冲信号放大用以驱动超声波换能器发送超声波。
并由FPGA控制脉冲群的脉冲个数（10脉冲）及脉冲群之间的时间间隔（连续发送）,其发送间隔取决于要求测量的最大距离。
若在有效测距范围内有被测物,则在后一路探测波束发出之前应当接收到前一路发出的反射波,否则认为前一路没有探测到物体。
按有效测距范围及最大测量距离可以算出最短的脉冲群间隔发送时间。
例如,最大测距距离为2m时,脉冲间隔时间t=2D/C=2×2/340≈12ms,,实际应取t≥12ms（我们最后确定为50ms）。
电路图如下：
图示2。
1超声波发射部分
2.2回波接收及处理部分
超声波接收是用来将探测波回波的声能转换为电信号,实现超声波回波的接收。
在被测物距离较远的情况下,回波很弱,一般在mV级，为此需要将信号放大1000倍左右。
放大后的信号经滤波、整形后输出一个方波信号,此方波信号经反相器74HC04后向FPGA计数控制器发出申请,停止计数器计数，单片机读取时间计数器的计数值。
电路图如下：
图示2。
2超声波接收部分电路图
2.3步进电机部分
电机采用四相八拍工作方式，需要对电机的每“一相”进行驱动。
驱动电路中，选用TIP41C达林顿三极管，功率电阻Rc参数为8Ω、2W，在C极与电机电源之间接入一个保护二极管（型号IN4002），防止功率管T从工作状态变为截止状态时，由于感性电机绕组电流的连续性而会在三极管C极上产生一个较强的反向电动势（电流），而损害三极管;E和C极间的二极管（型号IN4002）的加入是为了增大三极管的反向耐压值，起到泄流保护作用。
驱动电路如下：
图2。
3步进电机驱动部分电路图
其工作原理是：
当在A、B、C、D电平输入端输入高电平时，使中光敏二极光发光，从而光耦三极管工作。
因三极管的C极、E极的电流大约满足相等的关系，故C极与E极相当于导通，从而形成电源到地的回路，使次的达林顿三极管无法工作，再使电机的该相不能工作。
反之，当A、B、C、D电平输入为低时，使用权光耦三极管不工作，从而使达林顿三极管工作，最终驱动步进电机转动。
2.4显示部分
单片机将所测得的数据进行相应的处理后，实时地将数据送给128×64液晶屏（LCD）显示，显示信息包括：
距离、角度、状态。
2.5CPLD部分
我们采用CPLD脉冲发送控制、接受处理进行控制。
单片机只控制整个系统的复位与启动，在整个收发过程中，单片机完全不干预，而是由CPLD内部的状态机来，控制脉冲发射的启动与停止，控制回波计数器的启动与停止，控制收发干扰的消除。
这样，整个系统便工作在了极高的速度下，大大提高了测量的精度。
并且，使单片机能集中在人机界面的处理。
CPLD内部框图如下：
图2。
5CPLD组成框图
2.6电源部分
电源部分输出±5V，±12V电压供给整个系统。
电源采用桥式全波整流，大电容滤波，三端稳压芯片稳压的方法，产生各种直流电压。
稳压芯片采用的是7805、7905、7812、7912，典型电路如下：
4路电压（±5V、±12V）输出前都经过了电感+电容组合网络滤波，经实测，纹波均小于3mV。
3、硬件设计时的抗干扰技术
单片机系统在电子设计的各领域都有广泛的应用，但在某些控制系统中若存在强静电场（如大功率电动机、发电机、磁力开关、变压器），对单片机来讲都是致命的干扰源，尽管电路和程序设计得都很合理但单片机在上述环境下也很难能正常工作。
另外来自系统内部和外部的各种干扰即使不会造成系统运行失常，也会引起数据采集测量误差加大等问题，所以在设计系统时，应事先充分考虑抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施。
单片机主要有以下几种干扰：
（1）.通道信号干扰；
（2）.电源干扰；（3）.辐射干扰。
硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰措施，它能有效抑制干扰源，阻断干扰传输通道。
只要合理地布置与选择有关参数，硬件抗干扰措施就能抑制系统的绝大部分干扰。
常用的硬件抗干扰措施有：
接地技术、屏蔽技术、隔离技术及滤波技术等。
3.1数字系统与模拟系统
单片机系统多为数字系统与模拟系统相互联系的混合系统，模拟信号与数字信号之间的最大差别在于用来代表这些信号的能量在频域中的分布情况，因此数字信号更容易进入不属于它们的电路中去，产生干扰。
数字电路除输入引脚以外的其它引脚（电源脚、输出脚等）中输入外来信号很难影响电路的输出，而模拟电路很容易受到从芯片任何引脚输入的信号的影响（最主要的是输入信号和电源）。
模拟信号畸变的主要原因是来自数字信号、电源线和接地平面等其它信号源的电容耦合。
对于最常见的数字信号（或时钟信号）与模拟信号的耦合，解决方法是：
（1）.减少信号间的电容及降低感应信号的能量。
这就要求在电路设计时要使数字信号尽可能远离模拟信号；
（2）.不要使模拟信号路径与数字信号路径平行；
（3）.如果两个信号不得不交叉，应尽可能以90°交叉；
（4）.可能时，在模拟信号与数字信号之间设置屏蔽；
（5）.使用多层电路时，不要使数字地或电源平面延伸到电路的模拟部分之下；
（6）.为减少数字信号中的高频能量，应尽可能的使用速度慢的逻辑系列；
（7）.避免在数字信号中有振荡的地方采用性能不好的传输线并尝试在其上增加电阻性负载以减少振荡。
数字信号中最为典型的是时钟信号，常用于产生单片机的工作时序脉冲，不仅是受噪声干扰最敏感的部位，同时也是单片机对外发射辐射干扰和引起内部干扰的噪声源。
数字电路在时钟边沿存在着相当大的电源浪涌电流，浪涌电流与电源和地间的电阻共同作用会产生噪声，为使电源的浪涌电流尽可能小，应提供良好的旁路电容。
多数模拟信号以地信号为准，如果模拟地有任何干扰，则必将叠加到模拟信号上，同样，与模拟器件相连的电源上的噪声也会影响正在处理的信号。
使用单独的数字和模拟电源将有助于减少数字电路对模拟电路的干扰，在使用单独电源有困难的情况下，可以对模拟电源进行单独隔离。
模拟电路除了要求电源本身具有较小噪声外，还要在较宽的范围内有较低的输出阻抗，这样在电源上某部分产生的噪声就不会传输到其它的部分去。
关于接地和电源干扰的抑制，在后文中会有详细介绍。
另外，模拟电路越复杂，数字信号对其影响的机会就越多，可能时用数字电路代替模拟电路，使模拟部分尽可能简单。
3.2电源的干扰与抑制
（1）.常见电源干扰的抑制
在直流电源电路中由于单片机及一些存储器、接口电路等都是数字电路，所以在电源电路会产生峰值很大的尖峰电流，供电电源是外部瞬时脉冲窜入系统的主要通道，必须对其采取必要的抗干扰措施，如电源滤波、变压器屏蔽隔离等。
设计系统时实用的一些措施有：
采用0.01～0.1μF的钽电容或电解电容加在电源线与地线之间，作为旁路电容滤除纹波；在数字芯片的电源输入处采用一个0.1μF的磁片电容和一个220μF的电解电容并联形成电荷池接地，有效地抑制了数字芯片对电源的影响。
电容连线靠近电源端并尽量粗短，一般直接用焊锡连接；加接由电容和电感组成的滤波网络进行滤波，以除去干扰。
电感采用双线绕法如图A-1所示；其中0.1μF电容用来抑制高频，100μF电容用来抑制低频分量电感线圈可以抑制其变化的电流电压使电源具有一个稳图A-1电源滤波电路
定的电压输出，使整个系统正常工作。
（2）.工频干扰的抑制
在使用的市电供电电网中，正常的50Hz正弦波形上叠加有许多高电压的尖峰脉冲信号，这些信号会严重影响系统的正常工作，可产生较大干扰。
抑制和消除工频干扰，常用的方法是在A/D转换电路之前加RC滤波
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