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1、武汉大学电子信息学院项目名称：全方位超声测距系统项目类别：电子设计组队方式：三人一组队长：张提升队员：张提升 李大乾 尹朝亮全方位超声测距系统作者：张提升 李大乾 尹朝亮指导老师：黄根春摘要： 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，采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C
2、PLD芯片取代了单片机外围扩展硬件电路，提高了计数的稳定性、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。注释：本设计技术是雷达原理的的缩影，是用来精密测量周围360度内的物体，并能准确判断方向，是对专业高科技技术的很好的学习和应用，有利于今后的学习和深造。它的意义是深远的。目录1. 系统设计411设计要求.4111 任务412 设计总体方案.4121设计思路和部分原理论证4（1）渡越时间测量法原理 4（2）超声波发射器原理5（3
3、）盲区及发、收时序6（4温度补偿6（5步进电机测相原理61.2.2方案论证与比较 10（1）控制方案10（2）距离测量10（3）超声波发送脉冲的产生.11硬件电路设计132.1超声波发送部分132.2回波接收及处理部分132.3步进电机部分152.4显示部分162.5 CPLD部分162.6电源部分163.硬件设计时的抗干扰技术.183.1 数字系统与模拟系统183.2电源的干扰与抑制193.3接地技术203.4隔离技术与屏蔽线的使用213.5滤波技术223.6常用芯片的抗干扰措施233.7自激振荡及其消除方法243.8运放参数测量介绍264.软件设计.294.1软件流程图.304.2程序列单
4、.315软件wave的使用方法.375.系统测试.685.1 测量仪器及型号.685.2 测试方法.695.3 测量数据695.4 实验误差分析.695.5结论70参考文献70附录 元器件清单71后续731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1cm，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、回波处理、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CPLD产生的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
5、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，实现全方位扫描；电源为整个系统提供电源。框图如下：121图系统总体框图（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，即需测距离式声波传输距离的一半： 式中，为待测距离，为超声波的声速，为渡越时间。由下式计算测量误差 式中，为测距误差，
6、为声速，为时间测量误差，为声速误差。若要求测距误差小于0.01m，已知声速344m/s(20时)，忽略声速误差，那么测量时间的误差： （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 式中，S为等效标尺，为计数脉冲的频率，为声速，所以 在本系统中，计数脉冲的频率40MHz。（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
7、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
8、）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，换能器接收到的回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。这样就导致了盲区的产生。工作时序示意图如下： 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的时间间隔为盲区；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
9、器的计时，进而得出时间，再由数据处理、修正单元计算出实际距离，然后供显示。（4） 温度补偿 声音在25空气中传播速度的理论值为344m/s，这个速度在0时降为334m/s。超声波在媒质中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:= （m/s） 我们采用数字温度传感器DS 18B20测温，然后利用上式算出当前声速，从而得到精确的距离。（5）步进电机测相原理步进电机有两种基本的形式：可变磁阻型和混和型。步进电机的基本工作原理，结合图1的结构示意图进行叙述。图1是一种四相可变磁阻型的步进电机结构示意图。这
10、种电机定子上有八个凸齿，每一个齿上有一个线圈。线圈绕组的连接方式，是对称齿上的两个线圈进行反相连接，如图中所示。八个齿构成四对，所以称为四相步进电机。它的工作过程是这样的：当有一相绕组被激励时，磁通从正相齿，经过软铁芯的转子，并以最短的路径流向负相齿，而其他六个凸齿并无磁通。为使磁通路径最短，在磁场力的作用下，转子被强迫移动，使最近的一对齿与被激励的一相对准。在图1(a)中A相是被激励，转子上大箭头所指向的那个齿，与正向的A齿对准。从这个位置再对B相进行激励，如图1中的(b)，转子向反时针转过15。若是D相被激励，如图1中的(c)，则转子为顺时针转过15。下一步是C相被激励。因为C相有两种可能
11、性：ABCD或ADCB。一种为反时针转动；另一种为顺时针转动。但每步都使转子转动15。电机步长(步距角)是步进电机的主要性能指标之一，不同的应用场合，对步长大小的要求不同。改变控制绕组数(相数)或极数(转子齿数)，可以改变步长的大小。它们之间的相互关系，可由下式计算：L360 PN式中：L为步长；P为相数；N为转子齿数。在图1中，步长为15，表示电机转一圈需要24步。混和步进电机的工作原理在实际应用中，最流行的还是混和型的步进电机。但工作原理与图1所示的可变磁阻型同步电机相同。但结构上稍有不同。例如它的转子嵌有永磁铁。激励磁通平行于X轴。一般来说，这类电机具有四相绕组，有八个独立的引线终端，如
12、图2a所示。或者接成两个三端形式，如图2b所示。每相用双极性晶体管驱动，并且连接的极性要正确。图3所示的电路为四相混和型步进电机晶体管驱动电路的基本方式。它的驱动电压是固定的。表1列出了全部步进开关的逻辑时序。其中，用“ON”代表“1”，“OFF”代表“0”。四相混和型步进电机，有一特点很有用处。它可以用半步方式驱动。就是说，在某一时间，步进角仅前进一半。用单个混合或用双向开关即可实现，这种逻辑时序由表2列出。四相混和型步进电机，也能工作于比额定电压高的情况。这可以用串联电阻进行降压。因为1相和2相，3相和4相是不会同时工作的，所以每对仅一个降压电阻，串接在图3中的X和Y点之间。值得注意的是，电机步进为1234的顺序。在同一时间，有两相被激励。但是1相和2相，3相和4相绝对不能同时激励。由此上述原理即可设计出步进电机的驱动时序。我们选用四相步进电机,其中有四个电磁铁线圈,也就是有四相,每两个组成一组,如下图所示.对A相加脉冲时,在外
