基于ARM超声波测距系统设计及上位机串口通讯毕业设计论文.docx
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基于ARM超声波测距系统设计及上位机串口通讯毕业设计论文
基于ARM超声波测距系统设计及上位机串口通讯
摘要
本文详细介绍了一种基于ARM处理器LPC2368的超声测距系统。
该系统是以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。
本系统包括上位机监控软件和下位机嵌入式测量系统两部分。
超声测距系统的设计原理以达到更优的系统性能为目的。
为适合不同的速率变化的运动物体的距离，嵌入式系统设置了正常测距和快速测距两种显示模块，即对于变化快的物体，采用快速测量模式；对于变化慢的物体，采用正常测量模式。
论文概述了超声波的一些特性，介绍了超声波测距的基本原理，对于影响测距系统的一些主要参数进行了讨论以及对嵌入式系统ARM和开发环境做了简单介绍。
并且在介绍超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体设计，包括嵌入式系统测距功能、系统设置功能、显示功能和串口通信的方案设计以及监控界面远程监控、远程修改和数据存取等功能的设计。
最后对整个系统进行验证。
实验表明，监控软件和嵌入式系统的各项功能均达到设计要求。
最后文中分析了系统设计的不足及如何对系统进行完善提出了一些改进建议。
关键词:
超声传感器，超声测距系统，嵌入式系统ARM，PC机串口通信
Abstract
This essay presents an ultrasonic ranging system based on the ARM processor LPC2368. This system uses ultrasonic echo and reflection of the time difference to measure the distance with the definite condition of the propagation velocity of ultrasonic spreading in the air. It includes two parts:
one is PC monitoring software; the other is a machine embedded under measuring system.
The design principle of the ultrasonic ranging system sets an aim of optimizing the performance of this system. In order to be suited to the different moving objects with different rates, the embedded system sets two display module of normal ranging and tachometric ranging, that is adopting the mode of tachometric raging in terms of objects whose rate changing faster; while adopting the mode of normal raging in terms of objects whose rate changing slower.
This essay summarizes some features of ultrasonic, introduces the basic principle of ultrasonic ranging, analyses some main parameters affecting the ranging system, and gives a brief introduction of the embedded system ARM and the development environment. On the base of the introduction of the function of the ultrasonic ranging system, it also puts forward the design of the whole system. That includes the ranging function of the embedded system, the setup function, the display function, the serial interface communication design and the design of remote monitor interface, remote registry and data access. At last, it gives the verification of the whole system. As the data shows in the experiments, all the functions, such as monitoring software and the embedded system, are up to the standards of design. At the end of this essay, it analyses the shortage of the design in this system and suggestion to improve this system.
Key words:
ultrasonic sensor, ultrasonic ranging system, embedded system ARM, PC serial communication
第一章前言
1.1课题背景
随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展，超声波检测技术得到了越来越广泛的应用。
其中超声波测距是一种可定向发射、指向性好、利用微电子技术实现的非接触式测距方式。
目前，非接触式测距常采用超声波、激光和雷达。
但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法具有明显突出的优点:
1.超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。
2.超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化，并且可以进行实时控制。
3.超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强，能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离。
4.超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（如玻璃、抛光体）。
目前，对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。
在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。
此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。
1.2超声测距发展概况
超声检测主要是利用超声波作为载体，即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的[1]。
我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。
超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。
五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。
如英国的UCT-2超声波检测仪，重达24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。
五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。
随后，上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg，该仪器性能稳定，波形清晰。
但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。
直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的UCT-2，CTS-10型仪器。
1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。
从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。
随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。
如罗马尼亚N2701型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量10Kg。
七十年代，英国C.N.S公司推出仅有3.5Kg重的PUNDIT便携式超声仪。
1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。
该仪器采用TTL线路，数码显示，仪器重量为5Kg。
同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超声波检测仪。
从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。
随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。
进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。
随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功[2]。
超声仪研制呈现一派繁荣景象。
其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。
其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单.，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。
与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。
目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。
过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。
高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。
仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求。
综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。
1.3本课题研究内容及任务
超声波检测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。
本文介绍一套能够对多个液位进行测量的超声波系统。
主要工作内容包括以下几点：
1.开发一套具有远程监控和远程修改功能的上位机软件。
2.要求上位机软件具备数据存取、曲线绘制等功能。
3.开发出基于ARM7处理器LPC2368的超声测距下位机系统。
4.要求该嵌入式系统实现能实现正常模式和快速模块两种方式下的测量，并完成同步时钟的显示。
5.要求该嵌入式系统具备报警设置、周期设置、校准设置和序号设置等功能。
6.要求该嵌入式系统完成能与上位机完成串口通信，可向上位机发送测量数据并接受上位机的指令。
第二章设计基础
2.1超声概述
2.1.1超声波及其波形
我们生活的世界充满了各种可听的声信号。
在科学史上，人们很久以前对声音信号就有了认识，声学是最早发展的学科之一。
我国两千多年前的先秦时期，在乐律和乐器的研究方面，对声学的发展做出了重要的贡献。
在国外，19世纪，声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。
然而由于超声是人耳听不到的信号，直到18世纪，人们在研究蝙蝠、海豚等动物时，才推测自然界中存在超声。
物理学上把每秒钟振动的次数定义为频率，它的单位是赫兹（Hz）。
我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。
当声波的振动频率小于20Hz或大于20KHz时，我们便听不见了。
因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为超声波，或称超声。
声波的速度越高，越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似[3]。
由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也不同。
一般有以下几种:
1.纵波
质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。
它能在固体、液体和气体中传播。
2.横波
质点的振动方向与传播方向相垂直的波，称为横波。
它只能在固体中传播。
3.表面波
质点的振动介于纵波和横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速地衰减，称为表面波。
表面波只在固体地表面传播。
2.1.2反射与折射
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律没有本质上的区别。
当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质的波称为反射波;另一部分则透过分界面，在另一介质能继续传播
的波称为折射波，如图2-1所示。
β
图2-1超声波反射与折射图
其反射与折射满足如下规律:
1.反射定律
入射角a的正弦与反射角a’的正弦之比，等于波束之比。
当入射波和反射波的波形一样时，波速一样，入射角a即等于反射角a’。
2.折射定律
入射角a的正弦与折射角β的正弦之比，等于入射波中介质的波速v1与折射波中介质的波速v2之比，即
（2-1）
3.反射系数
当声波从一种介质向另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声速在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射，反射声强Ir与入射声强之比，称为反射系数，反射系数R的大小为
（2-2）
式中:
为反射声强;，为入射声强;为第一介质的声阻抗:
为第二介质的声阻抗。
在声波垂直入射时，
，上式可化简为
（2-3）
若声波从水中传播到空气，在常温下它们的声阻抗约为,
，代入上式则得。
这说明当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻抗相差悬殊，声波几乎全部被反射。
2.1.3声波的衰减
声波在介质中传播时会被吸收而衰减，气体吸收最强而衰减最大，液体其次，固体吸收最小而衰减最小，因此对于给定强度的声波，在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。
另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关，频率越高，声波的衰减也越大，因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。
衰减的大小用衰减系数表示，其单位为dB/m，通常用
dB/mm表示。
在一般探测频率上，材料的衰减系数在一到几百之间，如水及其他衰减材料为
dB/mm。
假如为1dB/mm，则声波穿透1mm距离时，衰减为10%;穿透20mm距离时，衰减为90%。
2.2超声波测距原理
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测量距离领域得到了广泛的应用。
超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。
其中脉冲回波法测距最为常用，它主要基于超声测距回波信号的识别，多采用模拟方法，用电路来实现。
S
发
h
d
收
图2-2超声测距原理图
如图2-2所示，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间，己知超声波声速V的前提下，利用:
S=
VT
（2-4）
即可计算得传感器与反射点之间的距离S，测量距离
d=
（2-5）
当S>>h时，则d≈S，即:
（2-6）
2.3超声波测距主要参数考虑
2.3.1传感器的指向角
传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，记为
，它直接影响测量的分辨率。
对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径r有关[4]。
由
（2-7）
选
时，
。
当ƒ0选定后，指向角
近似与传感器
半径成反比。
指向角
愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径r愈大。
鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径r=6.3mm，故
（2-8）
2.3.2测距仪的工作频率
空气中超声波的衰减系数为:
（2-9）
所以，空气中超声波的衰减对频率
很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在40KHz左右，太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的[5]。
传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。
工作频率的确定主要基于以下几点考虑:
1.如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。
2.工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。
3.从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。
综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz。
这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。
2.3.3温度对声速的影响
由2.2可知，声速的大小线性的决定了测距系统的测量精度。
空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。
因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响，即:
Cs=
（2-10）
式中:
Cs为超声波声速;B为气体的弹性模量;
为气体的密度。
气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得:
（2-11）
式中:
为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40;P为气体的压强。
而气体的压强公式为:
P=
（2-12）
式中:
R为普适常量8.134kg/mol;T为气体温度K（绝对温度）;M为气体分子量;空气为28.8
kg/mol所以:
Cs=
（2-13）
由上式可知，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。
其变化公式为：
Cs=20.067
（m/s）（2-14）
式中:
T为气体温度K（绝对温度）。
由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。
在常温20℃下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为344m/s。
但当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。
2.4RealViewMDK软件介绍
在中国的单片机开发者中，KeilSoftware公司推出的KeiluVision系列软件是最为经典的单片机软件集成开发环境。
ARM公司收购Keil公司后，在最大程度保持uVision软件的风格基础上推出了ARMRealViewMDK平台[6]。
ARMRealViewMDK开发平台主要具有如下特点：
采用KeiluVision3的开发环境和界面，给单片机用户的升级带来极大的方便。
具有windows风格的可视化操作界面，界面友好，使用极为方便。
支持汇编语言，C51语言以及混合编程等多种方式的单片机设计。
集成了非常全面的ARM处理器的支持，能够完成ARM7、ARM9以及ARMcortex-M3等处理器的程序设计和仿真。
集成了丰富的库函数，以及完善的编译连接工具。
提供了并口、串口、A/D、D/A、定时器/计数器及中断等资源的硬件仿真能力，能够帮组用户模拟时间硬件的执行效果。
可以与多款外部仿真器联合使用，提供强大的在线仿真调试能力。
内嵌RTX-51Tiny和RTX-51FULL内核，提供了简单而强大的实时多任务操作系统的支持。
在开发界面中支持多个项目的程序设计。
支持多级代码优化，最大限度地帮助用户精简代码体积。
由于KeiluVision具有最为广泛的用户群，因此相应的代码资源非常丰富，读者可以轻松地找到各类编程资源以加速学习和开发过程。
2.5嵌入式微处理器介绍
LPC2368是一款基于ARM的微控制器，适用于为了各种目的而需要进行串行通信的应用[7]。
ARM7TDMI-S处理器，可在高达72MHz的工作频率下运行，并拥有高达512kB的片内Flash程序存储器，具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能。
单个Flash扇区或整个芯片擦除的时间为400ms，256字节编程的时间为1ms。
Flash程序存储器在ARM局部总线上，可以进行高性能的CPU访问。
1.定时器
LPC2368处理器拥有4个32位的定时器/计数器。
每个定时器带有一个可编程的32位预分频器，在连续工作情况下，可在匹配时可选择产生中断。
在匹配时，可选择产生中断停止定时器运行和复位定时器。
此外，每个定时器包含4路32位的捕获通道，可以在输入信号变化时捕捉定时器的瞬时值，产生中断。
2.RTC时钟
LPC2368处理器自带的实时时钟可用来对日期及时分秒计时、记录等。
其计数时钟可以通过对Fpclk进行分频得到，它的基准时钟分频器允许调节任何频率高于65.536kHz的外设时钟源，并产生一个32.768kHz的基准时钟（每秒计数总数是32768）。
3．通用I/O口
LPC2368处理器拥有70个的通用I/O管脚，主要用于驱动LCD显示模块、控制片外器件和检测数字信号。
4.UART通信接口模块
LPC2368处理器有四个UART模块。
四个模块的功能基本相同，只是UART1可以作为一个完整的Modem接口。
第三章系统总体设计
3.1系统总体结构
系统由上位机与下位机构成，通过通信网络进行数据交换。
首先由上位机以广播通讯方式发送消息，然后由下位机根据本机的序号（地址）对消息进行处理。
若消息与本机地址匹配，则回复收到信息并进行相应处理，实现点对点通信；若消息与本机地址不匹配则不对其处理。
上位机发送的消息后未收到由上位机发送的回复则由上位机提示重发信息。
如图3-1所示：
……
图3-1系统总体结构
3.2上位机的功能
本系统的上位机软件由VisualC++6.0开发软件编写，具有良好的可视效果，功能包括远程监控、远程修改、测距报警、操作历史记录和历史数据记录等。
如图3-2所示：
同步时钟
图3-2上位机功能构成图
数据收发：
由上位机可向下位机发送同步和修改指令。
同步指令主要用于上位机与对应序号的下位机点对点通讯。
首先，上位机将系统时间发送给下位机，实现系统时钟同步，然后再由下位机将系统的报警距离设置值、发射周期值以及所测的距离值发送给上位机，实现信息同步。
修改指令主要是用于通过上位机修改下位机的设置值。
历史记录：
操作历史记录主要用于记录报警、修改等事件。
历史数据记录主要用于记录对应下位机的测量数据。
实时监控曲线：
主要根据测量值绘制24小时监控曲线。
测距报警：
主要实现声音报警功能。
3.3下位机的功能
超声波测距系统下位机包含测距功能、系统设置功能、显示功能和串口通信功能四大功能。
如图3-3所示。
设置显示
图3-3下位机功能构成图
测距功能：
利用超声波的反射的原理，测出障碍物的距离。
显示功能：
系统显示功能主要包括测量距离的显示、时钟显示和报警显示。
系统显示分为两种模式：
正常测量模式和快速测量模式。
在正常测量模式下，测量值和时钟每隔2S交替显示；而在快速测量模式下，则只显示测距值。
报警显示则是在测量值小于报警值时出现显示。
系统设置功能：
包括报警设置、周期设置、校准设置和序号设置。
报警设置是报警距离值设置，当被测距离过近时，显示警报
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