【正文】 河海大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ARM 的超聲波測(cè)距模塊開(kāi)發(fā) 第一章 概述 .................................................. 1 課題來(lái)源 .................................................... 1 超聲檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)述 ............................................ 1 超聲波檢測(cè) ............................................ 1 超聲檢測(cè)誤差來(lái)源 ...................................... 2 系統(tǒng)任務(wù)和要求 .............................................. 3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ................................................ 3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)意義及應(yīng)用 .......................................... 4 第二章 系統(tǒng)原理分析 ................................................ 5 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)分析 .......................................... 5 超聲波測(cè)距原理 ........................................ 5 溫度補(bǔ)償原理 .......................................... 5 超聲波檢測(cè)預(yù)備知識(shí) .......................................... 6 超聲波的應(yīng)用 .......................................... 6 超聲波傳感器 .......................................... 7 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ............................................... 11 智能測(cè)量模塊總體設(shè)計(jì) ....................................... 11 超聲傳感器的選擇 ..................................... 11 超聲信號(hào)的處理 ....................................... 12 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì) ........................................... 13 系統(tǒng)通信總體設(shè)計(jì) ........................................... 13 串行通信基本概念 ..................................... 13 串行通信過(guò) 程 ......................................... 14 系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì) ........................................... 14 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ............................................... 16 關(guān)鍵器件選擇 ............................................... 16 嵌入式 ARM 微處理器 LPC2131............................ 16 液晶顯示器 ........................................... 16 超聲波傳感器 ......................................... 16 超聲波檢測(cè)模塊 ............................................. 17 超聲波收發(fā)分體回路設(shè)計(jì) ............................... 17 超聲波收發(fā)一體回路設(shè)計(jì) ............................... 19 液晶模塊 ................................................... 20 FYD128640402B 液晶模塊介紹 .......................... 20 FYD128640402B 液晶模塊的應(yīng)用 ........................ 21 串口通信模塊 ............................................... 21 串行通信協(xié)議 ......................................... 21 串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口 ................................. 21 溫度補(bǔ)償模塊 ............................................... 22 溫度傳感器 DS18B20 原理 ............................... 22 DS18B20 與 ARM 接口電路 ............................... 22 電源模塊 ................................................... 23 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ............................................... 24 系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì) ........................................... 24 河海大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ARM 的超聲波測(cè)距模塊開(kāi)發(fā) 下位機(jī)程序設(shè)計(jì) ............................................. 25 第六章 系統(tǒng)測(cè)試 ................................................... 29 系統(tǒng)操作 ................................................... 30 測(cè)試結(jié)果分析 ............................................... 31 第七章 系統(tǒng)展望 ................................................... 33 結(jié)束語(yǔ) ............................................................. 34 致 謝 ............................................................. 34 參考文獻(xiàn) ........................................................... 35 附錄一、系統(tǒng) PCB 圖 ................................................. 37 附錄二、整機(jī)實(shí)物圖 ................................................. 37 附錄三、主要程序代碼 ............................................... 38 附錄四、翻譯 ....................................................... 41 河海大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ARM 的超聲波測(cè)距模塊開(kāi)發(fā) 1 第一章 概述 超聲波測(cè)距技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的測(cè)距新技術(shù) [1],是一種非接觸的檢測(cè)方式 ,和紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比 , 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性能高、價(jià)格便宜、安裝維護(hù)方便等優(yōu)異特性 ,在近距范圍內(nèi)超聲測(cè)距具有不受光線、顏色以及電、磁場(chǎng)的影響 ,在惡劣作業(yè)環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力 [2]。 因此利用超聲波測(cè)距在實(shí)現(xiàn)定位及環(huán)境建模場(chǎng)合 ,如 :液位、汽車防撞雷達(dá)、井深及管道長(zhǎng)度測(cè)量、機(jī)器人定位、輔助視覺(jué)系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用 。 但傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距儀測(cè)量精度普遍較低 ,都不能滿足高精度測(cè)量的要求 。 為了克服此不足 , 作者 從測(cè)距儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和回波信號(hào)處理的角度出發(fā) ,提出了基于回波包絡(luò)峰值 [3]的檢測(cè)方法 ， 從而進(jìn)一步提高測(cè)距儀超聲檢測(cè)的精度、 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性對(duì)。本設(shè)計(jì)是基于 ARM來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 超聲波檢測(cè) 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)聲波振動(dòng) 頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。一般人耳能聽(tīng)到的聲音的頻率范圍在 20Hz～ 20kHz 之間，頻率低于 20Hz 的波稱為次生波，而高于 20kHz 的波稱為超聲波，頻率高于 910 Hz 的波稱為特超聲波 [4]。聲波頻率界限如圖 11 所示。超聲波檢測(cè)中常用的工作頻率在 ～ 20MHz 范圍內(nèi)。 由于超聲波具有的這些良好的品質(zhì)，超聲波的研究和應(yīng)用已經(jīng)滲入工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)以及航天和航空等領(lǐng)域并且取得了卓有成效的進(jìn)展 [5]。甚至有人認(rèn)為超聲技術(shù)可以和 電子技術(shù)、信息技術(shù)以及核技術(shù)相媲美，是一門具有廣闊發(fā)展前景的高新技術(shù)。 圖 11聲波頻率界限 河海大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ARM 的超聲波測(cè)距模塊開(kāi)發(fā) 2 超聲檢測(cè)誤差來(lái)源 本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法進(jìn)行物位測(cè)量，通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到被測(cè)界面所反射回來(lái)的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出待測(cè)物位到傳感器的距離 L,在已知聲速 v的情況下，不難得出： L= （ 1） 下面對(duì)影響超聲波距離測(cè)量精度的因素進(jìn)行逐一分析。 （ 1）聲速 從式 (1)可以看出，必須知道聲波在媒質(zhì)中的傳播速 度 v，才能從傳播時(shí)間求出待測(cè)距離，但是各種媒質(zhì)有不同的聲速。因此，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，很難把聲速看成一個(gè)不變的恒量。當(dāng)媒質(zhì)的成分、溫度、壓強(qiáng)等因素都沒(méi)有很大的變化，而且測(cè)量精度要求又不很高的情況下，把聲速當(dāng)作不變的方法才能勉強(qiáng)滿足測(cè)量要求，否則就應(yīng)該進(jìn)行聲速校正。 在多數(shù)情況下，溫度是影響聲速的一個(gè)重要因素，例如在空氣中聲速理論公式為： 4 2 3 16 0 6 0 0 2 ?????? TTv t （ 2） 式中 T 為攝氏溫度，式（ 2）表明空氣中聲速是溫度的函數(shù)，此時(shí)式 (1)為 2 ???????? ）（ TTL m （ 3） 不難看出，溫度每變化 1℃ ，引起聲速變化約千分之 。這對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。所以，應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通常情況下，可在設(shè)備中安裝溫度敏感元件，采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路，利用敏感元件的輸出信號(hào)來(lái)對(duì)聲速進(jìn)行校正。 （ 2）硬件響應(yīng)時(shí)間 硬件電路是有一定延時(shí)的。例如濾波電路一般在幾十微秒左右。另外超聲物距測(cè)量系統(tǒng)中廣泛采用 ARM 來(lái)檢測(cè)渡越時(shí)間，而 ARM 系統(tǒng)的延時(shí)，相對(duì)來(lái)講也比較大。例如利用 ARM 的外部中斷來(lái)檢測(cè)回波觸發(fā)信號(hào)。盡管它己經(jīng)被設(shè)置為最高的中斷優(yōu)先級(jí)，并且 不會(huì)被其他的中斷所阻礙，但是中斷響應(yīng)是需要一定時(shí)間的。 （ 3）觸發(fā)時(shí)間 一般來(lái)說(shuō)，以接收信號(hào)的幅值超過(guò)我們規(guī)定的閾值時(shí)的時(shí)刻作為停止計(jì)時(shí)信號(hào) [6]。當(dāng)待測(cè)物位發(fā)生變化時(shí)，接收電路輸出信號(hào)的幅值就發(fā)生變化，距離近輸出信號(hào)幅值較大，此時(shí)在回波信號(hào)的第二周幅值就有可能超過(guò)規(guī)定的閾值，進(jìn)而河海大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 ARM 的超聲波測(cè)距模塊開(kāi)發(fā) 3 發(fā)出停止計(jì)時(shí)信號(hào)，距離較遠(yuǎn)時(shí)，輸出信號(hào)幅值較小，回波信號(hào)的第 3周（甚至第 4 周 )幅值才有可能超過(guò)規(guī)定的閾值，并發(fā)出停止計(jì)時(shí)信號(hào)。從理論上講，停止計(jì)時(shí)信號(hào)應(yīng)在圖中的 a點(diǎn)發(fā)出，由于閾值的存在，而實(shí)際停止信號(hào)是在下圖中的 a 點(diǎn)之后的某一時(shí)刻 發(fā)出。并且發(fā)出的時(shí)刻（時(shí)間檢出點(diǎn)）是隨物位的變化而變化，這種“時(shí)間檢出點(diǎn)”的變化就產(chǎn)生了物位測(cè)量的誤差。 測(cè)量范圍： 0～ 15m 測(cè)量精度： 177。 1% 使用溫度范圍： 10℃ ～ 50℃ 顯示： 液晶顯示 電源： 內(nèi)置電源，外置穩(wěn)壓電源 12～ 24V 抗干擾： 去噪聲能力強(qiáng) (檢波能力強(qiáng) ) 檢測(cè)類型： 用 1 或 2 個(gè)超聲頭 外部接口： RS232 接口 超聲波測(cè)距技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用。超聲波