基于EasyArm1138的超声波探测装置毕业设计.doc
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1、 编号: 本科毕业设计(论文)题目:(中文)基于EasyArm1138的超声波探测装置(英文) The Ultrasonic Distance-Measure Instrument base on EasyArm1138分 院 理工分院 专 业 电气工程及其自动化 摘要【摘要】本文利用超声波在空气中的传播特性,实时测得超声波在空气中的传播时间,再将时间和声速相乘即得距离的原理,设计一个超声波探测装置。本设计用EasyARM1138为控制芯片,本文还对超声波传感器测距的可行性进行了理论分析,利用模电、数电、声学基础、超声波传感器、以及超声波在介质的传播特性等知识,设计出超声波探测装置的硬件部分,
2、同时根据EasyARM1138的特性,编写相应的软件程序,并进行了调试和运行。最后对所得的试验结果和误差进行分析、总结。【关键词】超声波传感器;ARM;液晶显示器。The Ultrasonic Distance-Measure Instrument base on EasyArm1138Abstract【ABSTRACT】With the propagation character of ultrasonic in air, the distance can read time that spend and speed that ultrasonic propagate in air, it
3、multiplicities time and speed, then gets the distance. This study is based on EasyARM1138 chip. And the thesis gives the theoretical analysis of possibility of Ultrasonic telemeter and the knowledge such as simulated electron, digital electron, acoustics foundation and supersonic transducer, Ultraso
4、nic propagation characteristic and so on. The thesis explained how to make out the sensor, include hardware, and with the character of EasyARM1138, make out software and debugging. Finally, analysis the results of experiment.【KEYWORDS】Ultrasonic Sensor;ARM;LCD Monitor.目录诚 信 承 诺I摘要IIAbstractIII目录IV1绪
5、论11.1课题背景及意义11.2国内外超声波探测装置的现状11.3研究内容22器件简介和总体方案设计42.1超声波传感器选择42.2超声波传感器原理特性42.2.1超声波传感器工作原理52.2.2超声波传感器的特性52.3超声波测距原理72.3.1测距原理72.3.2理论分析82.4ARM简介92.5超声波探测装置的总体设计102.5.1总体设计102.5.2工作过程113硬件设计133.1超声波测距仪的硬件设计思想133.2EasyARM1138开发板133.3超声波发射器电路设计143.4超声波接收电路设计153.5LCD显示电路164软件设计194.1开发环境简介194.1.1IAR E
6、WARM 简介194.1.2LM LINK 调试器简介194.2总体设计194.3模块化设计224.3.1初始化模块224.3.2超声波发射、接收中断模块234.3.3计算及数据处理模块244.3.4显示模块255抗干扰处理265.1硬件抗干扰265.2软件抗干扰266试验结果和误差分析286.1试验结果286.2误差分析28总结及展望29参考文献30致 谢32附录33III 1 绪论1.1 课题背景及意义随着超声波传感技术和ARM微电控制技术的不断发展,超声波和ARM的应用在各个行业中的越来越广。因此,超声波探测所需要更高的测量精度和更好的灵活性也随之加强。但是如今国内一般使用的超声波探测都
7、是简单的基于单片机的探测模块,或者只单是一块超声波模块,而在基于ARM上的超声波还不多,或者是价格很贵的,操作使用很不方便。因此,超声波探测仪还有更大的发展和挖掘空间。1.2 国内外超声波探测装置的现状国内外测距仪表早期大多采用机械原理,如:人工检尺,利用皮尺测量距离,这是至今任然在全世界广泛使用的最简单方法,人工测量的精度一般般,存在人为因素误差。但近年来随着电子技术的应用,逐步向机电一体化发展,并且总结了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术,结构有了很大的改善,功能有了很大的提高。从国内外测距仪表发展技术动向看,当前测距仪技术应用普遍。普遍采用电子设计自动化(EDA)、
8、计算机辅助测试(CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。呈现出智能化测距装置、非接触测量方式的测距装置、新型原理的小型测距装置。以下举例几种当今的测距装置:雷达测距仪,连续式微波测距仪这几年逐步推向市场。它通常采用调频雷达原理,利用同步调频脉冲技术,微波发射和接收器安装在发射点,向需要被测物面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时,由于来回传播时间延迟,发射频率已改变了。将两者信号混合处理,所得信号差频正比于发射点到被测物面之间的距离。例如:测距仪作为液位仪时,荷兰Enraf公司的Radar872液位仪采用同步调频脉冲技术,精度达12mm,1995年新推
9、出的Smart Radar雷达液位仪利用平面天线技术(PAT)、高级数字信号处理技术(ADSP)和虚拟天线技术(VAT),结合宽阵列线性平面天线,提高了信号纯净度,能够分析全发射谱,考虑假回波、蒸气影响和其他因素,避免了由于墙壁发射干扰效应造成的精度损失,使测量精度可达1mm。激光测距仪,激光测距仪的测量原理是用光波代替超声波。即传感器发射激光,照射被测物面,接收发射光,将从发射至接收的时间换算成距离。激光光束是很窄的,在测距仪中通过光学系统转化成约20mm宽光束,这样即使被测物面很粗超,漫反射光也能被传感器接收。射线测距仪,该技术是基于射线对不同物质产生不同衰减的理论,将放射源钻60或艳13
10、7置于一个防护容器内,放在被测介质的一侧(此被测介质对射线有一定的衰减作用),在介质的另一面,装有一个检测器,当射线穿透这个有一定厚度距离时,它被衰减,其衰减率取决于被测介质的密度、吸收系数和厚度。介质厚度越大,衰减越大,接收器将射线量变为光脉冲信号,再由光电倍增管转换为电脉冲信号。由于介质与射线衰减量是非线性关系,所以必须通过统计标定。射线测距特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题,因为测量件没有任何部件与被测介质相接触。E+H公司提出了一个“点放射/棒探头接收”的概念,这样放射源被降到最小,而且容易安装,目前该公司研制的FMG671(用于液位测量)已用于过程控制。超声波测距仪,超声波测距
11、仪是非接触测距仪中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传播速度及遇到被测物体表面产生发射的原理。智能化的超声波测距仪带有一个功能很强的智能回波分析软件包。它可以将各种干扰过滤出来,识别多种回波,分析信号强度和环境温度等有关信息,这样即便在有扰动条件下读数也基本精确的。深圳莱德电子超声波测距仪,量程:0.5m-13.0m;精度:(1cm+0.5%*距离);温度补偿:0-38;分辨率:1cm。北京:友邦公司Sonic Tape ,测量范围:0.6-10m;精度:0.5%;分辨率:0.01m。1.3 研究内容本文的主要内容是对超声波测距的可行性进行理论上的分析后,利用计算机、电子技术、以及超声
12、波在介质中的传播特性等,设计出超声波探测装置的硬件部分,编写相应的软件程序,并进行调试和试运行。在硬件电路的设计中,针对超声波在传播时的大幅度衰减特性,我采用了提高驱动能力、对回波进行放大等措施扩大了测量的范围。在软件设计中,我采用模块化程序设计思想,将软件分为超声波驱动模块、数据处理模块和显示模块,每个模块又由很多的子程序组成。这样可以使软件的结构更加清晰,而且有利于软件的调试和修改。由于本设计对数据处理的要求比较高,所以在对EasyARM1138进行编写时,借助了C语言的浮点计算能力,提高计算精度。同时,为了保证超声波探测装置工作的可靠性和稳定性,在软硬件上都采取了相应的抗干扰措施。基本任
13、务及目标:1)以EasyARM1138为核心设计超声波探测装置主电路;2)设计包括超声波信号接口和LCD显示器接口,制作相应的系统;3)超声波的测量范围为10-300cm;主要工作:1)了解超声波传感器的工作原理及输出特性;2)了解EasyARM1138的内部构造和资源,熟悉利用C编写程序;3) 确定超声波探测装置的主电路设计总体设计方案;4) 对超声波探测装置主电路设计进行软硬件设计;5) 对超声波探测装置配套的主要人机接口设计LCD接口;6) 课题的实现,包括制作电路板,软硬件综合调试。2 器件简介和总体方案设计2.1 超声波传感器选择人们为研究和应用超声波,己发明设计并制成了许多类型的超
14、声波发生器:机械方式和电气方式产生超声波发生器。电气方式类型包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械式包括气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。而当今市场上的超声波传感器一般是用电能和超声能量相互转换的电气类的超声波传感器,其中使用较多的是压电型超声波传感器。而又根据压电材料不同有单晶体的、多晶体复合的,如石英单晶体,钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT-4, PZT-5)等。同时根据压电型超声波传感器的大小、类型中心频率的不同而又分为很多种,就如根据类型不同它还分为通用型、防水型、耐温型和带宽型。而由于本设计要求不高,所以只需
15、要通用型的压电晶体传感器就够了。本设计采用的超声波传感器是:TCT4016T(发射);TCT4016R(接收)。它的特点是:高灵敏度、高可靠性、高稳定性、耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、振动等严酷环境条件。命名方式如下:TCT40-16T/R(1)(2)(3)(4) (5)(1)压电陶瓷超声传感器:TC(2)类型:T通用型F防水型U耐温型K带宽型(3)中心频率:(KHZ)(4)外径:(mm)(5)使用方法:T发射R接收2.2 超声波传感器原理特性利用超声波感知或检测物体,有非破坏性、遥控性、实时性、可穿透性等优点,在许多方面体现了独到之处。很早以前,人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来,超
16、声波的波长范围己达um级,频率己扩大到GHz领域,分辨率达um量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围,超声波敏感元件成为薄膜状,与传统的形状大相径庭,它的进步将对电子学的发展起重要作用。实质上,超声波发生器即是超声波换能器,它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。2.2.1 超声波传感器工作原理超声波传感器一般采用双压电陶瓷品片制成。这种超声传感器需用的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。它是借助压电晶体的谐振来工作的,即陶瓷的压电效应。其结构原理如下图所示: 图2-1 超声波探头解析图由图可见
17、,超声波传感器是由压电陶瓷晶片、共振板、电极、保护膜、引线、金属壳构成。其中,压电陶瓷品片是传感器的核心,共振板使发射和接收超声波的能量集中,并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损害,保护膜也是起保护作用的,但不影响发射与接收超声波。超声波传感器有两块压电陶瓷晶片和一块共振板。当在两电极加交变脉冲信号(触发脉冲)时,若其频率等于晶片的固有频率,压电晶片就会发生共振,并带动共振板振动,从而产生超声波。相反,电极间未加电压,则当共振板接收到回波信号时,将压迫两压电晶片振动,从而将机械能转换为电信号,此时的传感器就成了超声波接收器。通过对此信号的分析处理,可实
18、现各种检侧。压电陶瓷晶片有固有谐振频率,即中心频率,发射超声波时,加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致;接收超声波时,作用在其上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样,超声波发射器才有较高发射效率,接收器才有较好接收灵敏度。当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便地改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。用于遥控的超声传感器的中心频率一般为40KH。2.2.2 超声波传感器的特性超声波传感器的外形及电路符号如图2-1所示:图2-2 超声波传感器外观图1、频率特性:图2-2是超声波发射器的频率特性曲线。=40KHZ为超声发射器
19、的中心频率,在处,超声发射器所产生的超声机械波最强,也就是说在处所产生的超声声压能级最高。而在两侧,声压能级迅速衰减。因此,超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的交流电压来驱动。图2-3 超声波传感器频率特性图图中,=40KHZ处即为中心频率。输出电信号的幅度最大,在处接收灵敏度也是最高。因此,曲线在处最尖锐,超声波接收器具有很好的频率选择特性,在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外,超声接收器的频率特性曲线和输出端外接电阻R有很大关系,如果R很大(如大于100k),频率特性是尖锐共振的,并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小(如小于10 k),频率特性曲线变得平滑而具有放宽的带宽,
20、同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此,超声接收器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用,才能有较高的接受灵敏度。2、指向特性:实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片,可以把表面上的每个点看成1个振荡源,辐射出一个半球面波(子波),这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的空间某一点的声压是这些子波叠加的结果,却有指向性。指向特性表示图2-4。超声传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成,其物理意义是= 时声压最大,角度逐渐增大时,声压减小。而在选择超声波频率时,由于超声波频率越高, 发射的超声波扩散角越小, 波束越细, 指向性越好的特性。同时又根据超声波的传播特性、测距的距
21、离范围要求、以及可购买到的传感器的性价比等因素, 我选择的40KHZ频率的超声传感器,波束角一般不大于30 度。图2-4 超声波传感器指向特性图2.3 超声波测距原理2.3.1 测距原理在设计时,实时得出时间和速度,再进行相乘运算,得出距离。距离公式:距离(S)=时间(T)*速度(V)。利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高,但检测范围非常有限,声波幅值检测法易受反射波影响。本超声波探测装置采用渡越时间检测法。即:在超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲,脉冲电信号经过超声波内部振子,振荡出机械波,通过空气,介质传播到被测面;由被测面反射,由
22、超声波接收器接收,在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时间差。测量发射点到被测物面到接收点距离2S,超声波的传播速度约为V=344m/s (20时),依据公式S=V*T,得距离S。测量方法:每隔一定时间发射一串超声波脉冲(一串10个),在发射脉冲串时刻开始EasyARM1138定时器计时,在超声波接收器接收到反射信号时刻,停止ARM计数器计时。ARM定时器所计时间,即为传播时间。超声波是一种声波,其声速与温度有关,V=331.45+0.607t ,t为摄氏温度,声速高低影响距离值。2.3.2 理论分析超声波是机械波
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