基于ARM的超声波测距模块开发毕业设计论文Word文档格式.docx
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（2）
式中T为摄氏温度，式
（2）表明空气中声速是温度的函数，此时式
（1）为
m（3）
不难看出，温度每变化1℃，引起声速变化约千分之1.8。
这对测量结果影响较大。
所以，应进行温度补偿。
通常情况下，可在设备中安装温度敏感元件，采用适当的补偿电路，利用敏感元件的输出信号来对声速进行校正。
（2）硬件响应时间
硬件电路是有一定延时的。
例如滤波电路一般在几十微秒左右。
另外超声物距测量系统中广泛采用ARM来检测渡越时间，而ARM系统的延时，相对来讲也比较大。
例如利用ARM的外部中断来检测回波触发信号。
尽管它己经被设置为最高的中断优先级，并且不会被其他的中断所阻碍，但是中断响应是需要一定时间的。
（3）触发时间
一般来说，以接收信号的幅值超过我们规定的阈值时的时刻作为停止计时信号[6]。
当待测物位发生变化时，接收电路输出信号的幅值就发生变化，距离近输出信号幅值较大，此时在回波信号的第二周幅值就有可能超过规定的阈值，进而发出停止计时信号，距离较远时，输出信号幅值较小，回波信号的第3周（甚至第4周）幅值才有可能超过规定的阈值，并发出停止计时信号。
从理论上讲，停止计时信号应在图中的a点发出，由于阈值的存在，而实际停止信号是在下图中的a点之后的某一时刻发出。
并且发出的时刻（时间检出点）是随物位的变化而变化，这种“时间检出点”的变化就产生了物位测量的误差。
1.3系统任务和要求
1、测量范围：
0～15m
2、测量精度：
±
1%
3、使用温度范围：
-10℃～50℃
4、显示：
液晶显示
5、电源：
内置电源，外置稳压电源12～24V
6、抗干扰：
去噪声能力强（检波能力强）
7、检测类型：
用1或2个超声头
8、外部接口：
RS232接口
1.4系统方案设计
超声波测距技术在工业生产和科学研究中得到广泛的应用。
超声波测距电路多种多样，甚至已有专用超声波测距集成电路[７]，但是有的电路复杂，技术难度大，有的调试困难，专用集成电路的成本很高，操作很不方便。
目前，国内的超声波测距专用集成电路的精度只能达到厘米级，可以满足一般工业测量的要求，但对于一些精度要求较高测距场合就不合适了。
本测距系统是基于ARM开发的，抗干扰性强，利用超声波测距原理，结合ARM的数据处理，测量精度可以达到毫米级。
串行通信、LCD显示于一体。
串行通信功能可以使系统和PC机进行通信；
LCD显示功能用于显示测量数据。
本系统采用渡越时间法测量超声波，所谓渡越时间法可以表述为：
设超声波发射传感器到目标障碍物的距离为L，超声波在空气中的传播速度为v，超声波从发射到接收传感器接收所经历的渡越时间为t，则L=vt/2。
其中该系统中超声波的往返时间间隔由ARM通过外部中断定时获得，并将定时结果通过软件的算法算出最终距离，将最终结果通过ARM送液晶显示。
再通过RS232串口通信，将测得数据送给上位机显示，实现对数据的实时监控。
为了充分利用ARM中的资源，尽量降低测距系统的成本，系统采用ARM控制产生40kHz的方波信号，驱动超声波传感器，为了增强测距范围，在发射部分增加信号功率发大电路，为了进一步提高发射信号的功率[８]，从而提高测距范围。
在对接收信号的处理，系统采用了电压跟随、放大、电压比较的方案，成本低廉，由于超声波在传播的过程中有很大程度的衰减，当到达超声波接收传感器的时候，信号已经此相当的小，因此必须对接受信号进行放大，放大后再送往电压比较器进行比较。
通过比较检测出有用信号，送给ARM进行处理，从而实现对待测距离的测量，由于环境温度对超声波传播速度的影响比较大，所以需要采集环境温度，并对超声波传播速度进行修正。
为了便于实时检测、控制，可以将测量到的数据每次距离变化时通过串口传送给上位机，上位机可对测量到的数据进行相应的数字信号处理。
1.5系统开发意义及应用
超声波检测与控制技术是以超声波作为采集信息的手段，能在不损坏和不接触被测量对象的情况下探测对象。
距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，超声波测距是一种很有效的测量方法，有着广泛的应用。
但目前的超声波测距系统存在着精度低，盲区大及测量数据不稳定等问题。
针对上述缺点，作者设计了独特、有效的盲区消隐和接收信号处理方法，并进行温度补偿，从而提高了测量精度和灵活性；
以ARM作为控制中心，研制了智能化、便携式超声波测量系统。
该系统的各种技术指标均能达到工程应用的要求，具有很大的市场潜力。
第二章系统原理分析
2.1超声波检测系统分析
2.1.1超声波测距原理
本系统以ARM为核心，由ARM控制定时发出方波信号，同时准备接收。
发射机产生40KHz左右的脉冲信号，经放大后驱动超声波传感器，方波信号经超声波传感器转换为超声信号向障碍物发射。
超声波信号在介质中传播遇到待测物体表面时，由于不同介质的反射性能差异很大，对超声波的传播影响不同。
其发射波被接收电路接收时，转变成电信号，该信号经相应地选频、检波、放大后，再进行信号判别，给ARM相应的触发信号，ARM对接收数据进行处理，并参照发出控制脉冲的基准时间，得出超声波在介质中的传播时间。
其基本检测实现方法如图2-1所示。
其原理可用公式表示为
。
2.1.2温度补偿原理
常温常压下，空气近似为理想气体。
超声波在理想气体中传播速度为
m/s，式中
为气体摩尔质量；
r为气体的比热比；
R为气体常数；
T为热力学温度。
对于一定的气体r、
为定值。
由公式可知：
声速与热力学的平方根成正比。
温度越高声速越大，温度越低声速越小。
必须考虑温度对超声波的传播速度的影响，设0
时声速为
，则t
时声度为
，则
m/s,
m/s。
又0
时，空气中声速的实验值为331.42m/s，那么t
空气中声速的表达式为：
，式中
m/s，即：
用ARM进行开方运算在程序上实现比较困难，为了便于ARMC语言编程，现用数学软件Matlab编程实现对公式的简化，运用Matlab多项式拟合编程实现如下：
t=0:
0.01:
100;
%拟合的温度范围
v0=331.42*（1+t/273）.^0.5;
%声速与摄氏温度的理论公式
v=polyfit（t,v0,3）;
%拟合出的声速与温度多项式
fv=polyval（v,t）;
subplot（1,2,1）
plot（t,v0,'
.'
t,fv,'
-r'
）;
gtext（'
蓝色曲线为理论速度曲线'
ylabel（'
速度V0（（m/s）'
xlabel（'
温度t（℃）'
subplot（1,2,2）;
plot（t,fv,'
y=poly2sym（v）;
红色曲线为拟合速度曲线'
速度V（m/s）'
图2-2拟合曲线和理论曲线比较
运行Matlab程序得出的拟合声速与摄氏温度曲线与理论上声速与摄氏温度曲线对比图2-2。
运行程序后，可得拟合声速与摄氏温度的关系：
m/s。
于是，通过传感器测的空气中的温度代入上述公式，即可得到超声波在空气中的传播速度
，再检测出超声波在空气中传播的时间T，便可得到超声波在空气中传播的距离：
2.2超声波检测预备知识
2.2.1超声波的应用
超声波传感器是利用超声波特性而研制成的传感器，超声波传感器技术已广泛用工业、国防、交通、生物医疗和家庭领域[９]。
超声波技术的应用如下表所示。
用途
备注
工
业
金属材料及非金属材料的探伤
测量金属与非金属的厚度
超声振动切削加工（金属与非金属）
超声波清洗零件超声波焊接
超声波流量计
超声波料位及液位检测与控制
超声波显微镜温度计
各种制造业
板材、管材
钟表业、精密仪表、轴承
半导体器件生产
化工、石油、轻工
海洋
鱼群探测深度测量
声纳水中摄影
通信
定向通信
医疗
超声波诊断仪（显像技术）
超声波胎儿状态检查仪
超声波血流计超声洁牙器
断层图象
2.2.2超声波传感器
（1）超声波传感器原理
超声波传感器有两种工作方式：
直射式，反射式。
反射式超声波传感器的工作原理如图2-3所示。
首先由振荡器产生40kHz方波信号，在经过放大器来驱动超声波发送器，使之发出40kHz超声波向外传播，超声波接收器接收到上述信号后，就通过放大器和滤波器得到控制信号，送至控制器。
图中的a、b构成双晶体片，再40kHz超声波驱动下，发送器中的双晶体片在不同方向被压缩或拉伸就形成了超声波。
（2）超声波基本特性
1.频率特性。
图2-4是某超声波发射器的频率特性曲线，
为发射器的中心频率，在该频率处，发射器所产生的超声波最强，即超声声压能级最高，而在
两侧，声压能级迅速衰减。
因此在使用当中，一定要用频率接近
的交流电压来驱动超声波发射器。
图2-5是某超声波接收器的频率特性.其中
为中心频率.由图2-5知，当并联电阻较大时，曲线在
处最尖锐.接受灵敏度最高，可知超声波具有较好的选频特性，其特性优势与并联电阻R有关。
2.指向特性。
由于传感器压电晶片是一个圆形片，故可以把其表面划分为许多小点，把每个点都看作为一个振荡源，辐射出一个半球面波——子波，这些子波虽没有指向性，但离传感器空间某一点的声压是这些子波叠加的结果，都具有指向性，如图2-6所示，当
℃时，声压最大，角度逐渐增大或减小时，声压减小。
（3）超声波的回波检测
①小波分析理论
小波分析是一种信号的时间一尺度（时间一频率）分析方法，它具有高分辨率的特点，而且在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变但其形状可改变、时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。
它在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。
因此，可以利用小波分析法对接收到的回波信号进行分析、去噪，获得更加平滑、有效的回波包络曲线，进而可以利用峰值检测法准确计算出回波前沿的到达时刻。
我们在这里采用Morlet复小波。
因为当其形状控制参数取较小值时。
在几何形状方面,它较其它类型小波函数更加相似于接收回波波形。
根据小波分析的最大匹配原则，当子波与所分析的号在几何形状上越相似时，利用该子波提取到的信号特征就越准确。
Morlet复小波函数的数学表达式为:
（1）
式中j=-1，β为形状控制参数，当取β=1时，其实部、虚部及模如图2-7所示。
从图2-7可以看出,复小波函数的模可完全平滑地包络其实部和虚部。
因此，利用复小波函数的模便可很容易获得回波信号的小波包络分析。
回波信号经小波包络运算处理后,可以帮助剔除环境噪声信号,获得更平滑、理想的回波包络曲线。
利用包络峰值检测原理对小波包络后的回波信号分析处理,从而准确计算回波前沿的到达时刻。
②回波信号的包络峰值检测
根据小波分析理论提出一种新的确定回波前沿的计算方法，即回波信号的包络峰值检测法。
通过示波器对回波波形进行观察,可以发现对同一探测物,不同传播距离的回波包络线都有较好的一致性，回波波形都大致相同，只是波幅不同，并且同一距离时的不同类型探测物的回波波形也大致相同，只是波幅不同。
从工程精度考虑，可以认为超声回波幅值包络线的形状基本不随回波信号的大小而变化。
即回波信号包络峰值所对应时刻b与回波前沿到达时刻a间的时间差（b-a）不随探测物远近的变化而变化。
而时间差（b-a）也容易通过实验计算出来。
因此，可将接收回波信号的包络峰值所对应的时刻b作为停止记数的时刻,用回波包络峰值所对应时刻与回波前沿到达时刻的时间差（b-a）就可消除由于时间检出点变化所引起的测量误差。
回波信号在进行线性包络检波之后，在分别通过微分电路、零点交叉检测，最后进入ARM外部中断0的入口，从而完成传播声时的准确计时。
因为采用包络峰值时间点的检测方法与信号振幅无关,故具有优良的传输时间检出特性。
包络峰值检出原理及波形如图2-8所示。
包络峰值检测也可以消除虚假回波的干扰，使达到阀值的虚假回波可以被峰值检测滤掉。
因为超声波接收回波的幅值随传播距离的增加而成指数规律衰减，所以采用AGC电路使放大倍数随距障碍物距离的增加成指数规律增加的电路。
在计数器开始计时的时刻，AGC电压开始随时间增加而增加,在检测到回波脉冲后清零。
零交叉点检测可以保证回波到达时刻不受回波大小变化。
采用鉴宽电路可以抑制偶然的尖峰干扰信号，使尖锐的干扰信号被鉴宽电路挡住而不能到达电平比较电路。
因此，采用包络峰值检测可以保证回波前沿的准确到达时刻。
接收器等待发射脉冲第一个回波的同时，通知定时器/计数器T0在微处理器的外部中断接收到回波到来信号，T0计数器停止计数。
ARM一旦识别到的第一个回波到达时,便发生中断，终止内部计数器计数,并对计数器中的数据进行程序处理。
ARM通过内部设定程序的运算，可以算出超声波传感器到当前的障碍物的距离，并将测得的距离实时地在液晶显示模块上显示。
第三章系统总体设计
3.1智能测量模块总体设计
利用第二章讲述的测距原理，作者设计了超声波测距系统，它的作用是检测当前障碍物的距离，并将测得的结果实时地在液晶上显示出来，并可将检测得到的数据值通过RS232/485网络传送给上位机控制器。
由图可看出该系统共有5个模块组成：
超声波发射模块、超声波接收模块、温度补偿模块、液晶显示模块、串行通信模块。
对于具体电路模块的介绍见以下章节。
3.1.1超声传感器的选择
超声检测精度取决于检测方法、仪器和超声换能器性能。
目前在低超声频段（20~100kHz），喇叭辐射面的面积比棒状换能器大，所以辐射面的声强较低，与其粘结的不锈钢板表面空化腐蚀小。
在本系统中采用喇叭状换能器，这种换能器尤其在较高频段{40kHz以上），其优点更为突出。
因为它可以削弱横向振动所带来的不良影响，频带也较宽。
在选择中，要综合考虑超声接收换能器各项参数指标，比如其与电路的阻抗匹配问题，如果电路的输入阻抗与换能器的阻抗不一致，就会引起驻波，使波形模糊。
3.1.2超声信号的处理
系统的性能受背景噪声的限制，从抗干扰的角度来说，应充分利用信号场与干扰场在时--空统计特性上的差异，对超声信号进行处理，以便最大限度地获得增益。
1．信号的放大和噪声的抑制。
由于从接收换能器传来的信号很微弱，又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是首先必须考虑的。
通常使用低噪声晶体多级调谐放大器完成此项任务[11]。
在检测过程中，由于工作频带窄，故应按功率匹配，使前置放大器的输入阻抗与换能器输出阻抗的数值相近。
通带中心频率等于信号频率。
这样环境噪声中的绝大部份能量就被阻挡在通带之外了，但对通带内的噪音抑制则无能为力。
可以通过增加发射功率和提高接受基阵的方向性来提高信噪比，使这个问题得到改善。
2．混响及其抑制。
通常较简单的抑制混响方法是使用一定时间规律（例如指数规律）来控制接收机增益的时间，增益控制界（TVG）对出现在接收机输入端的信号和混响及噪声进行动态压缩。
要使放大器增益随时间变化的规律与混响随时间衰减的规律严格相反是很困难的，补偿的方法是增加一个自动增益控制器（AGC）[12]。
3．回波信号的处理。
回波信号的包络通常是不规则的，不便对它进行数字处理，所以对它整形是必要的，整形电路形式多样，可以是单稳态电路，也可以是施密特触发器或其它电路。
为了进一步滤除噪声及混响的影响，可设置一门限检测阈值，该门限电平一般大于噪声的均方根值。
当信号超过阈值时判断为有目标回波，若阈值过高，只有强信号才能被检出，这样检出概率就降低；
若阈值过低，信号超过阈值的机会多了，但同时噪声超过阈值的机会也多，则检出的有用信号夹杂的噪声就会增多。
4．对目标回波信号的进一步处理。
进行数字滤波和计算，求从发射信号开始到收到目标回波为止的深度（距离）历经时间值，并将它转换成深度（距离）值，然后将此值显示并打印。
可采用微处理器。
本系统中，由ARM产生的波形通过隔离放大后驱动超声换能器的发送端，换能器的接收端接收的信号比较弱，另外由于换能器本身的特性和声程中随机干扰、传播介质的非均匀性等造成的信号时延抖动是随机的，包含很多的噪声信号。
又由于超声波的传播介质中存在很多不确定的因素，难以抑制，这样势必影响检测精度。
对超声信号的模拟处理首先我们对信号的输出端进行隔离，防止回波产生，在混波信号中选取其中有用信号，滤除无用的噪声信号，防止驻波干扰。
在简单的模拟化处理后，从软件上对信号进行数字化的处理。
本系统中数字信号处理是在ARM中用程序来实现的。
在此，作者采用平均滤波法，去除最大值和最小值后，将几个采样信号的平均值作为一个信号值，这样就能将信号中的瞬时干扰噪声减小。
选用多少采样信号求其平均值，是根据信号频率及噪声的特征来确定的。
同时也应用程序判断滤波法，从程序的角度判断有用信号，将无用信号滤除，通过仿真实验证明，通过以上的信号处理方法能有效的保证超声信号的重现，失真程度也很小。
3.2系统模块电路设计
智能测量模块电路部分主要包括超声信号检测电路、LCD液晶显示、RS232通信接口等部分。
主机控制器在液晶显示屏中将具体数据显示出来，液晶显示采用字符型液晶显示模块。
并将测得的数据通过串口传送给上位机，同时进行存储。
主机控制器总结构框图如图3－1所示。
3.3系统通信总体设计
3.3.1串行通信基本概念
（1）数据通信的基本概念
系统在实际工作中，像上位机的CPU与外部设备之间常常要进行数据交换一样，为了通过上位机对系统进行实时控制，将系统测得数据实时传送给上位机，所有这些信息交换均可称为数据通信。
本系统采用的是串行数据通信方式，接口为RS232串口，实验证明这种通信方式简单易行，符合本系统要求。
（2）串行通信
在串行通信过程中二进制数字系列以数字信号波形的形式出现。
不论接收还是发送，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。
接收/发送时钟就是用来控制通信设备接收/发送字符数据速度的，该时钟信号通常由处理器内部的时钟电路产生。
在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据位检测;
在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移位输出。
如图3－2所示:
3.3.2串行通信过程
两个通信设备在串行线路上实现成功的通信必须解决两个问题:
一是串－并转换，即如何把要发送的并行数据串行化，把接收的串行数据并行化;
二是设备同步，即同步发送设备和接收设备的工作节拍相同，以确保发送的数据在接收端被正确读出。
3.4系统通信软件设计
系统通信软件由下位机、主机控制器通信软件和上位机控制软件三部分组成。
下位机通信软件功能主要是接收主机控制器发送过来的信号，针对各下位机地址发送应答信号，再根据主机控制器发来的控制信号做出相应的反应，随后发送主机控制器所需数据。
其通信功能使用了ARM的串行中断和查询收发状态标志位的方法实现。
下位机平时对各监控点的进行数据采集并定时存贮，当有串行中断时执行串行中断服务程序，判别是否为本机的地址信息，地址信息与本机地址相符时，转为接收控制命令，并执行相应的操作；
地址信息与本站地址不符时则退出中断。
下位机通信流程图如图3-4所示。
主机控制器的通信软件实现功能主要包括呼叫各从机，并向各机发送查询控制命令。
其工作过程为控制器发送需呼叫的从机的地址，然后等待接收从机的应答信号，若应答信号正确即发送控制命令，若应答信号不正确则重新发送需呼叫的地址，并等待接收应答信号，接收到应答信号后接收有个下位机发送的数据，存储在相对应的数据存储区并在LCD液晶显示屏中显示出来。
本系统的上位机控制软件由Delphi7编写，具有良好的可视效果，功能包括数据发送、数据接收、串口通信设置等功能。
上位机通信软件界面如图3-5。
第四章系统硬件设计
4.1关键器件选择
4.1.1嵌入式ARM微处理器LPC2131
（1）嵌入式ARM微处理器LPC2131概述
LPC2131是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU[15]，并带有32kB、64kB和512kB嵌入的高速Flash存储器[15]。
128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行[17]。
多个32位定时器、1个或2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统[18]
（2）嵌入式ARM微处理器LPC2131主要特性[19]
12个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗。
2多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。
3片内晶振频率范围：
1～30MHz。
4单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：
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