全方位超声扫描器.doc

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1、全方位超声波扫描器摘要采用超声波反射测距的方法在1米范围内精确测量到障碍物的距离并对障碍物定位。用步进电机控制探头的偏转，为减小发射和接收的耦合，将接收探头和发射探头分开。单片机采得的数据通过RS232串口发送给微机，在PC机屏幕上显示1米范围类障碍物的分布情况，并显示传送过来的数据。一．方案论证（一）总体方案比较对障碍物测距并定位的方法基本上都是基于以下的框图：发送装置控制器接受装置障碍物图1－1－1测量框图方案一:采用其他探测手段，如用红外线探测方法对障碍物测距并定位。此种方案发送和接收装置都比较简单，但由于光速太高，利用单片

2、机系统很难测定回波，并且红外线的波速也难以整定，因此测量可能会有较大的测量误差。方案二:利用超声波发射和回波信号对障碍物进行定位，室温下声速对于单片机是比较小的，因而此种方法可以保证测量的足够精度，且利用对标准距离的测定可以整定实验时的声速。充分利用单片机的控制特点，由单片机控制超声波的发送和接收及电机的转动。方案三：利用超声波发射和回波信号对障碍物进行定位，但由硬件电路控制控制超声波的发送和接收及电机的转动，单片机只作接口及发送命令。此种方案需要有硬件电路的支持，实现起来较复杂。通过以上比较，我们选取方案二，因为它可以较好完成题

3、目要的功能，并且实现起来简单。（二）具体方案选取根据题目要求，可将系统划分为如下几个部分：◆发送的调制信号产生电路◆发送的驱动电路◆接收信号的处理◆回波信号的提取◆步进电机的驱动和控制◆软件部分对测量的控制此外，为实现扩展部分要求，与主机进行串口通信，还需增加的部分有：◆PC机接收和界面的编程本系统采用自制的最小系统板，已包含有RS232串口通信模块。1.发送的调制信号产生电路由于是每发送一次接收一次，故测量频率不能太高，而超声波发生器要求频率为40KHz，故需进行调制发送。用一个低频的信号对40KHZ载波进行调制，调制信号高电平

4、期间发射载波。图1－2－1调制及载波波形载波可用CMOS门作振荡器产生，可以用单片集成函数发生器ICL8038产生，也可用555作振荡器。前两者不易控制电路工作状态，考虑到发射已调信号要易受单片机控制，故采用555振荡器，控制其第4脚的高低就可以让它产生振荡或不振荡。用单片机的口线控制调制信号产生电路振荡与否，即可对发射进行控制。（由于它们的电路简单，这里不给出电路图。）2．发送的驱动电路发送驱动电路提高从发送探头发送出去的功率，增加探测的距离。发送驱动电路有多种方法。（1）可控硅电容放电法先给电容充电以存储较多静电能，然后对升压

5、变压器初级线圈放电，升压后的电脉加在换能器上，激发超声波。其优点是电路简单，发射功率大，持续时间短，但缺点是波形复杂，重复性较差。（2）微机控制谐振法有微机控制以频率等于超声换能器中心频率方波加在超声换能器上，引起晶片谐振，然后微机控制停止激励，晶片逐渐停振，此种方法产生超声波，起振慢，停振亦慢，重复性亦较差。（3）高压放电驱动法此方法是基于压电换能器的基本特性—电致伸缩，当沿某方向对晶片加电压时，，产生电致伸缩，静电能转换为弹性势能。移去电源后，进行瞬间放电，则晶片将从变形状态转变自由状态，产生超声波。此种方法产生的超声波有良好

6、的重复性，是比较良好发射方式。图1－2－2中（a）此种方法的一种发射电路图，图（b）是对应发射波形图1－2－2高压放电驱动法基于以上的比较，我们选取第三种方案。3．接收信号的处理由于接收的是小信号，回波信号湮没在噪声里，，并且由于发射探头对接收探头的影响，产生很大的耦合。采用普通的反相放大，不能有效抑制噪声。若使用查份放大，可以有效的提高共模抑制比，抑制噪声。我们采用仪表放大做前置放大，有效提高信噪比。4．回波信号的提取回波信号提取就是要从接收的信号中提取出发射信号的第一个上升沿由于噪声的影响和放大后直流偏置，载波形整形之前进行滤

7、波，并使出发电平可调，以抑制噪声和耦合的影响。5．步进电机的驱动和控制步进电机可以用OC门加三极管驱动，此种方法的驱动能力有限，且电路复杂。不仅电机还可用达林顿管驱动，此种方法电路结构简单，且可以提供较大的电流。我们采用第二种方案。图1－2－3oc门和三极管作驱动6．软件部分对测量的控制系统既要求步进电机转动又要进行测量，这可以染步进电机的转动和测量不想关，也可以在步进电机稳定后才进行测量，这样可以提高测量的精度但会增加软件的复杂度。我们采用第二种方案。7．PC机接收和界面的编程PC机接收和界面的编程，我们使用的是C++Build

8、，利用其自带的控件，提高可编程效率并取得了良好的效果。　　　综合以上所述，我们用两片555产生调制信号和载波信号,用高压驱动法进行发射，接收前级放大采用仪表运放，经过后级放大和滤波，调节触发电平，提取回波信号。用软件控制电机的转速和测量。通过系统板