全方位超声测距系统

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1、全方位超声测距系统作者：磁提俞疼女乾桃雪指导老师：黄根卷摘要：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，釆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

2、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。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lcm,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、冋波处理、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C

3、PLD产牛的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（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

4、需测距离式声波传输距离的一半：r1L=—vt2式中，厶为待测距离，卩为超声波的声速，/为渡越吋间。由下式计算测量误差6=畑$+"%式中，6.为测距误差，u为声速，为时间测量误差，6为声速误差。若要求测距误差小于0.01m,已知声速^=344m/s（20°C时），忽略声速误差，那么测量时间的课羌:心知踹"00003$(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

5、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L=NS/2式中，S为等效标尺，/为计数脉冲的频率，卩为声速，所以在本系统中，计数脉冲的频率/=40WIz。（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

6、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

7、余振信号（绕射），在此信号衰减到足够小的时间内，换能器接收到的冋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。这样就导致了肓区的产生。工作吋序示意图如下：bncmbme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的吋间间隔为盲区；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、修正单元计算岀实际距

8、离，然后供显示。(4)温度补偿声音在25°C空气中传播速度的理论值为344m/s,这个速度在0°C时降为334m/so超声波在媒质屮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：v=331.45J——1(m/s)V273.16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