1、 基于ARM的超聲波測距模塊開發(fā)畢業(yè)設計（論文）基于ARM的超聲波測距模塊開發(fā)目錄第一章 概述11.1課題來源11.2超聲檢測技術簡述11.2.1超聲波檢測11.2.2超聲檢測誤差來源21.3系統(tǒng)任務和要求31.4系統(tǒng)方案設計31.5系統(tǒng)開發(fā)意義及應用4第二章 系統(tǒng)原理分析52.1超聲波檢測系統(tǒng)分析52.1.1超聲波測距原理52.1.2溫度補償原理52.2超聲波檢測預備知識62.2.1超聲波的應用62.2.2超聲波傳感器7第三章 系統(tǒng)總體設計113.1智能測量模塊總體設計113.1.1超聲傳感器的選擇113.1.2超聲信號的處理123.2系統(tǒng)模塊電路設計133.3系統(tǒng)通信總體設計133.3.1

2、串行通信基本概念133.3.2串行通信過程143.4系統(tǒng)通信軟件設計14第四章 系統(tǒng)硬件設計164.1關鍵器件選擇164.1.1嵌入式ARM微處理器LPC2131164.1.2液晶顯示器164.1.3 超聲波傳感器164.2超聲波檢測模塊174.2.1超聲波收發(fā)分體回路設計174.2.2超聲波收發(fā)一體回路設計194.3液晶模塊204.3.1 FYD12864-0402B液晶模塊介紹204.3.2 FYD12864-0402B液晶模塊的應用214.4串口通信模塊214.4.1 串行通信協(xié)議214.4.2 串行通信總線標準接口214.5溫度補償模塊224.5.1溫度傳感器DS18B20原理224.

3、5.2 DS18B20與ARM接口電路224.6電源模塊23第五章 系統(tǒng)軟件設計245.1系統(tǒng)程序總體設計245.2下位機程序設計25第六章 系統(tǒng)測試296.1系統(tǒng)操作306.2測試結果分析31第七章 系統(tǒng)展望33結束語34致 謝34參考文獻35附錄一、系統(tǒng)PCB圖37附錄二、整機實物圖37附錄三、主要程序代碼38附錄四、翻譯41 第一章 概述1.1課題來源超聲波測距技術是近年來出現(xiàn)的測距新技術1,是一種非接觸的檢測方式,和紅外、激光及無線電測距相比, 它具有結構簡單、可靠性能高、價格便宜、安裝維護方便等優(yōu)異特性,在近距范圍內(nèi)超聲測距具有不受光線、顏色以及電、磁場的影響,在惡劣作業(yè)環(huán)境下有一定

4、的適應能力2。 因此利用超聲波測距在實現(xiàn)定位及環(huán)境建模場合,如:液位、汽車防撞雷達、井深及管道長度測量、機器人定位、輔助視覺系統(tǒng)等方面得到廣泛的應用。但傳統(tǒng)的超聲波測距儀測量精度普遍較低,都不能滿足高精度測量的要求。為了克服此不足, 作者從測距儀結構設計和回波信號處理的角度出發(fā),提出了基于回波包絡峰值3的檢測方法，從而進一步提高測距儀超聲檢測的精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性對。本設計是基于ARM來實現(xiàn)的。1.2超聲檢測技術簡述1.2.1超聲波檢測圖1-1聲波頻率界限聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)聲波振動頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。一般人耳能聽到的聲音的

5、頻率范圍在20Hz20kHz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Hz的波稱為特超聲波4。聲波頻率界限如圖1-1所示。超聲波檢測中常用的工作頻率在0.2520MHz范圍內(nèi)。由于超聲波具有的這些良好的品質，超聲波的研究和應用已經(jīng)滲入工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)學以及航天和航空等領域并且取得了卓有成效的進展5。甚至有人認為超聲技術可以和電子技術、信息技術以及核技術相媲美，是一門具有廣闊發(fā)展前景的高新技術。1.2.2超聲檢測誤差來源本系統(tǒng)采用渡越時間法進行物位測量，通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到被測界面所反射回來的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出待測物位

6、到傳感器的距離L,在已知聲速v的情況下，不難得出： L=0.5vt （1）下面對影響超聲波距離測量精度的因素進行逐一分析。（1）聲速從式(1)可以看出，必須知道聲波在媒質中的傳播速度v，才能從傳播時間求出待測距離，但是各種媒質有不同的聲速。因此，在實際測量時，很難把聲速看成一個不變的恒量。當媒質的成分、溫度、壓強等因素都沒有很大的變化，而且測量精度要求又不很高的情況下，把聲速當作不變的方法才能勉強滿足測量要求，否則就應該進行聲速校正。在多數(shù)情況下，溫度是影響聲速的一個重要因素，例如在空氣中聲速理論公式為： （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)，此時式(1)為 m （3）

7、不難看出，溫度每變化1，引起聲速變化約千分之1.8。這對測量結果影響較大。所以，應進行溫度補償。通常情況下，可在設備中安裝溫度敏感元件，采用適當?shù)难a償電路，利用敏感元件的輸出信號來對聲速進行校正。（2）硬件響應時間硬件電路是有一定延時的。例如濾波電路一般在幾十微秒左右。另外超聲物距測量系統(tǒng)中廣泛采用ARM來檢測渡越時間，而ARM系統(tǒng)的延時，相對來講也比較大。例如利用ARM的外部中斷來檢測回波觸發(fā)信號。盡管它己經(jīng)被設置為最高的中斷優(yōu)先級，并且不會被其他的中斷所阻礙，但是中斷響應是需要一定時間的。（3）觸發(fā)時間一般來說，以接收信號的幅值超過我們規(guī)定的閾值時的時刻作為停止計時信號6。當待測物位發(fā)生變

8、化時，接收電路輸出信號的幅值就發(fā)生變化，距離近輸出信號幅值較大，此時在回波信號的第二周幅值就有可能超過規(guī)定的閾值，進而發(fā)出停止計時信號，距離較遠時，輸出信號幅值較小，回波信號的第3周（甚至第4周)幅值才有可能超過規(guī)定的閾值，并發(fā)出停止計時信號。從理論上講，停止計時信號應在圖中的a點發(fā)出，由于閾值的存在，而實際停止信號是在下圖中的a點之后的某一時刻發(fā)出。并且發(fā)出的時刻（時間檢出點）是隨物位的變化而變化，這種“時間檢出點”的變化就產(chǎn)生了物位測量的誤差。 圖1-2 放大濾波后的回波信號 1.3系統(tǒng)任務和要求 1、測量范圍： 015m2、測量精度： 1%3、使用溫度范圍： -10504、顯示： 液晶顯

9、示5、電源： 內(nèi)置電源，外置穩(wěn)壓電源1224V6、抗干擾： 去噪聲能力強(檢波能力強)7、檢測類型： 用1或2個超聲頭8、外部接口：RS232接口1.4系統(tǒng)方案設計超聲波測距技術在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中得到廣泛的應用。超聲波測距電路多種多樣，甚至已有專用超聲波測距集成電路，但是有的電路復雜，技術難度大，有的調試困難，專用集成電路的成本很高，操作很不方便。目前，國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路的精度只能達到厘米級，可以滿足一般工業(yè)測量的要求，但對于一些精度要求較高測距場合就不合適了。本測距系統(tǒng)是基于ARM開發(fā)的，抗干擾性強，利用超聲波測距原理，結合ARM的數(shù)據(jù)處理，測量精度可以達到毫米級。串行通信、L

10、CD顯示于一體。串行通信功能可以使系統(tǒng)和PC機進行通信；LCD顯示功能用于顯示測量數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用渡越時間法測量超聲波，所謂渡越時間法可以表述為：設超聲波發(fā)射傳感器到目標障礙物的距離為L，超聲波在空氣中的傳播速度為v，超聲波從發(fā)射到接收傳感器接收所經(jīng)歷的渡越時間為t，則L=vt/2。 其中該系統(tǒng)中超聲波的往返時間間隔由ARM通過外部中斷定時獲得，并將定時結果通過軟件的算法算出最終距離，將最終結果通過ARM送液晶顯示。再通過RS232串口通信，將測得數(shù)據(jù)送給上位機顯示，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。 為了充分利用ARM中的資源，盡量降低測距系統(tǒng)的成本，系統(tǒng)采用ARM控制產(chǎn)生40kHz的方波信號，驅動超聲

11、波傳感器，為了增強測距范圍，在發(fā)射部分增加信號功率發(fā)大電路，為了進一步提高發(fā)射信號的功率，從而提高測距范圍。在對接收信號的處理，系統(tǒng)采用了電壓跟隨、放大、電壓比較的方案，成本低廉，由于超聲波在傳播的過程中有很大程度的衰減，當?shù)竭_超聲波接收傳感器的時候，信號已經(jīng)此相當?shù)男?，因此必須對接受信號進行放大，放大后再送往電壓比較器進行比較。通過比較檢測出有用信號，送給ARM進行處理，從而實現(xiàn)對待測距離的測量，由于環(huán)境溫度對超聲波傳播速度的影響比較大，所以需要采集環(huán)境溫度，并對超聲波傳播速度進行修正。為了便于實時檢測、控制，可以將測量到的數(shù)據(jù)每次距離變化時通過串口傳送給上位機，上位機可對測量到的數(shù)據(jù)進行相

12、應的數(shù)字信號處理。1.5系統(tǒng)開發(fā)意義及應用超聲波檢測與控制技術是以超聲波作為采集信息的手段，能在不損壞和不接觸被測量對象的情況下探測對象。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，超聲波測距是一種很有效的測量方法，有著廣泛的應用。但目前的超聲波測距系統(tǒng)存在著精度低，盲區(qū)大及測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問題。針對上述缺點，作者 設計了獨特、有效的盲區(qū)消隱和接收信號處理方法，并進行溫度補償，從而提高了測量精度和靈活性；以ARM作為控制中心，研制了智能化、便攜式超聲波測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的各種技術指標均能達到工程應用的要求，具有很大的市場潛力。第二章 系統(tǒng)原理分析2.1超聲波檢測系統(tǒng)分析2.1.1超聲波測距原理

13、本系統(tǒng)以ARM為核心，由ARM控制定時發(fā)出方波信號，同時準備接收。發(fā)射機產(chǎn)生40KHz左右的脈沖信號，經(jīng)放大后驅動超聲波傳感器，方波信號經(jīng)超聲波傳感器轉換為超聲信號向障礙物發(fā)射。超聲波信號在介質中傳播遇到待測物體表面時，由于不同介質的反射性能差異很大，對超聲波的傳播影響不同。其發(fā)射波被接收電路接收時，轉變成電信號，該信號經(jīng)相應地選頻、檢波、放大后，再進行信號判別，給ARM相應的觸發(fā)信號，ARM對接收數(shù)據(jù)進行處理，并參照發(fā)出控制脈沖的基準時間，得出超聲波在介質中的傳播時間。其基本檢測實現(xiàn)方法如圖2-1所示。其原理可用公式表示為。2-1智能測量模塊系統(tǒng)圖2.1.2溫度補償原理常溫常壓下，空氣近似為

14、理想氣體。超聲波在理想氣體中傳播速度為 m/s，式中為氣體摩爾質量；r為氣體的比熱比；R為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度。對于一定的氣體r、為定值。由公式可知：聲速與熱力學的平方根成正比。溫度越高聲速越大，溫度越低聲速越小。必須考慮溫度對超聲波的傳播速度的影響，設0時聲速為，則t時聲度為，則 m/s, m/s 。又 0時，空氣中聲速的實驗值為331.42m/s，那么t空氣中聲速的表達式為：，式中m/s，即：。用ARM進行開方運算在程序上實現(xiàn)比較困難，為了便于ARMC語言編程，現(xiàn)用數(shù)學軟件Matlab編程實現(xiàn)對公式的簡化，運用Matlab多項式擬合編程實現(xiàn)如下：t=0:0.01:100; %擬合的溫度

15、范圍v0=331.42*(1+t/273).0.5; %聲速與攝氏溫度的理論公式v=polyfit(t,v0,3); %擬合出的聲速與溫度多項式fv=polyval(v,t);subplot(1,2,1)plot(t,v0,.,t,fv,-r);gtext(藍色曲線為理論速度曲線);ylabel(速度 V0(m/s);xlabel(溫度 t();subplot(1,2,2);plot(t,fv,-r);y=poly2sym(v);gtext(紅色曲線為擬合速度曲線);ylabel(速度 V(m/s); 圖2-2擬合曲線和理論曲線比較xlabel(溫度 t();運行Matlab程序得出的擬合聲速

16、與攝氏溫度曲線與理論上聲速與攝氏溫度曲線對比圖2-2。運行程序后，可得擬合聲速與攝氏溫度的關系： m/s。于是，通過傳感器測的空氣中的溫度代入上述公式，即可得到超聲波在空氣中的傳播速度，再檢測出超聲波在空氣中傳播的時間T，便可得到超聲波在空氣中傳播的距離： 。2.2超聲波檢測預備知識2.2.1超聲波的應用超聲波傳感器是利用超聲波特性而研制成的傳感器，超聲波傳感器技術已廣泛用工業(yè)、國防、交通、生物醫(yī)療和家庭領域。超聲波技術的應用如下表所示。用途備注用途備注工業(yè)金屬材料及非金屬材料的探傷測量金屬與非金屬的厚度超聲振動切削加工（金屬與非金屬）超聲波清洗零件 超聲波焊接超聲波流量計超聲波料位及液位檢測

17、與控制超聲波顯微鏡 溫度計各種制造業(yè)板材、管材鐘表業(yè)、精密儀表、軸承半導體器件生產(chǎn)化工、石油、輕工海洋魚群探測 深度測量聲納 水中攝影通信定向通信醫(yī)療超聲波診斷儀（顯像技術）超聲波胎兒狀態(tài)檢查儀超聲波血流計 超聲潔牙器斷層圖象2.2.2超聲波傳感器（1）超聲波傳感器原理超聲波傳感器有兩種工作方式：直射式，反射式。反射式超聲波傳感器的工作原理如圖2-3所示。首先由振蕩器產(chǎn)生40kHz方波信號，在經(jīng)過放大器來驅動超聲波發(fā)送器，使之發(fā)出40kHz超聲波向外傳播，超聲波接收器接收到上述信號后，就通過放大器和濾波器得到控制信號，送至控制器。圖中的a、b構成雙晶體片，再40kHz超聲波驅動下，發(fā)送器中的雙

18、晶體片在不同方向被壓縮或拉伸就形成了超聲波。圖2-3 超聲波傳感器的工作原理(2)超聲波基本特性1.頻率特性。圖2-4是某超聲波發(fā)射器的頻率特性曲線，為發(fā)射器的中心頻率，在該頻率處，發(fā)射器所產(chǎn)生的超聲波最強，即超聲聲壓能級最高，而在兩側，聲壓能級迅速衰減。因此在使用當中，一定要用頻率接近的交流電壓來驅動超聲波發(fā)射器。圖2-5是某超聲波接收器的頻率特性.其中為中心頻率.由圖2-5知，當并聯(lián)電阻較大時，曲線在處最尖銳.接受靈敏度最高，可知超聲波具有較好的選頻特性，其特性優(yōu)勢與并聯(lián)電阻R有關。圖2-4 超聲波發(fā)生器的頻率特性圖2-5 超聲波接收器的頻率特性 圖2-6 超聲波傳感器的指向特性2.指向特

19、性。由于傳感器壓電晶片是一個圓形片，故可以把其表面劃分為許多小點，把每個點都看作為一個振蕩源，輻射出一個半球面波子波，這些子波雖沒有指向性，但離傳感器空間某一點的聲壓是這些子波疊加的結果，都具有指向性，如圖2-6所示，當時，聲壓最大，角度逐漸增大或減小時，聲壓減小。（3）超聲波的回波檢測小波分析理論小波分析是一種信號的時間一尺度(時間一頻率) 分析方法，它具有高分辨率的特點，而且在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變、時間窗和頻率窗都可以改變的時頻局部化分析方法。它在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率,在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻

20、率分辨率。因此，可以利用小波分析法對接收到的回波信號進行分析、去噪，獲得更加平滑、有效的回波包絡曲線，進而可以利用峰值檢測法準確計算出回波前沿的到達時刻。我們在這里采用Morlet復小波。因為當其形狀控制參數(shù)取較小值時。在幾何形狀方面,它較其它類型小波函數(shù)更加相似于接收回波波形。根據(jù)小波分析的最大匹配原則，當子波與所分析的號在幾何形狀上越相似時，利用該子波提取到的信號特征就越準確。Morlet復小波函數(shù)的數(shù)學表達式為: （1） 圖2-7 Morlet復小波式中j = - 1，為形狀控制參數(shù)，當取= 1時，其實部、虛部及模如圖2-7 所示。 圖2-8 回波包絡峰值檢測波形從圖2-7可以看出,復小

21、波函數(shù)的?？赏耆交匕j其實部和虛部。 因此，利用復小波函數(shù)的模便可很容易獲得回波信號的小波包絡分析?；夭ㄐ盘柦?jīng)小波包絡運算處理后,可以幫助剔除環(huán)境噪聲信號,獲得更平滑、理想的回波包絡曲線。利用包絡峰值檢測原理對小波包絡后的回波信號分析處理,從而準確計算回波前沿的到達時刻?；夭ㄐ盘柕陌j峰值檢測根據(jù)小波分析理論提出一種新的確定回波前沿的計算方法，即回波信號的包絡峰值檢測法。通過示波器對回波波形進行觀察,可以發(fā)現(xiàn)對同一探測物,不同傳播距離的回波包絡線都有較好的一致性，回波波形都大致相同，只是波幅不同，并且同一距離時的不同類型探測物的回波波形也大致相同，只是波幅不同。 從工程精度考慮，可以認為超

22、聲回波幅值包絡線的形狀基本不隨回波信號的大小而變化。 即回波信號包絡峰值所對應時刻b與回波前沿到達時刻a間的時間差( b- a) 不隨探測物遠近的變化而變化。而時間差( b- a)也容易通過實驗計算出來。 因此，可將接收回波信號的包絡峰值所對應的時刻b作為停止記數(shù)的時刻,用回波包絡峰值所對應時刻與回波前沿到達時刻的時間差( b- a) 就可消除由于時間檢出點變化所引起的測量誤差。 回波信號在進行線性包絡檢波之后，在分別通過微分電路、零點交叉檢測，最后進入ARM外部中斷0的入口，從而完成傳播聲時的準確計時。因為采用包絡峰值時間點的檢測方法與信號振幅無關, 故具有優(yōu)良的傳輸時間檢出特性。包絡峰值檢

23、出原理及波形如圖2-8所示。包絡峰值檢測也可以消除虛假回波的干擾，使達到閥值的虛假回波可以被峰值檢測濾掉。因為超聲波接收回波的幅值隨傳播距離的增加而成指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用AGC 電路使放大倍數(shù)隨距障礙物距離的增加成指數(shù)規(guī)律增加的電路。在計數(shù)器開始計時的時刻，AGC 電壓開始隨時間增加而增加,在檢測到回波脈沖后清零。零交叉點檢測可以保證回波到達時刻不受回波大小變化。采用鑒寬電路可以抑制偶然的尖峰干擾信號，使尖銳的干擾信號被鑒寬電路擋住而不能到達電平比較電路。 因此，采用包絡峰值檢測可以保證回波前沿的準確到達時刻。接收器等待發(fā)射脈沖第一個回波的同時，通知定時器/計數(shù)器T0在微處理器的外部中斷接收

24、到回波到來信號，T0計數(shù)器停止計數(shù)。ARM一旦識別到的第一個回波到達時,便發(fā)生中斷，終止內(nèi)部計數(shù)器計數(shù),并對計數(shù)器中的數(shù)據(jù)進行程序處理。ARM通過內(nèi)部設定程序的運算，可以算出超聲波傳感器到當前的障礙物的距離，并將測得的距離實時地在液晶顯示模塊上顯示。第三章 系統(tǒng)總體設計3.1智能測量模塊總體設計利用第二章講述的測距原理，作者設計了超聲波測距系統(tǒng)，它的作用是檢測當前障礙物的距離，并將測得的結果實時地在液晶上顯示出來，并可將檢測得到的數(shù)據(jù)值通過RS232/485網(wǎng)絡傳送給上位機控制器。圖3-1 超聲測距原理框圖由圖可看出該系統(tǒng)共有5個模塊組成：超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度補償模塊、液晶顯示

25、模塊、串行通信模塊。對于具體電路模塊的介紹見以下章節(jié)。3.1.1超聲傳感器的選擇超聲檢測精度取決于檢測方法、儀器和超聲換能器性能。目前在低超聲頻段(20100kHz)，喇叭輻射面的面積比棒狀換能器大，所以輻射面的聲強較低，與其粘結的不銹鋼板表面空化腐蝕小。在本系統(tǒng)中采用喇叭狀換能器，這種換能器尤其在較高頻段40kHz以上)，其優(yōu)點更為突出。因為它可以削弱橫向振動所帶來的不良影響，頻帶也較寬。在選擇中，要綜合考慮超聲接收換能器各項參數(shù)指標，比如其與電路的阻抗匹配問題，如果電路的輸入阻抗與換能器的阻抗不一致，就會引起駐波，使波形模糊。3.1.2超聲信號的處理系統(tǒng)的性能受背景噪聲的限制，從抗干擾的角

26、度來說，應充分利用信號場與干擾場在時-空統(tǒng)計特性上的差異，對超聲信號進行處理，以便最大限度地獲得增益。 1信號的放大和噪聲的抑制。由于從接收換能器傳來的信號很微弱，又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是首先必須考慮的。通常使用低噪聲晶體多級調諧放大器完成此項任務11。在檢測過程中，由于工作頻帶窄，故應按功率匹配，使前置放大器的輸入阻抗與換能器輸出阻抗的數(shù)值相近。通帶中心頻率等于信號頻率。這樣環(huán)境噪聲中的絕大部份能量就被阻擋在通帶之外了，但對通帶內(nèi)的噪音抑制則無能為力。可以通過增加發(fā)射功率和提高接受基陣的方向性來提高信噪比，使這個問題得到改善。2混響及其抑制。通常較簡單的抑制混響方法是使用

27、一定時間規(guī)律(例如指數(shù)規(guī)律)來控制接收機增益的時間，增益控制界(TVG)對出現(xiàn)在接收機輸入端的信號和混響及噪聲進行動態(tài)壓縮。要使放大器增益隨時間變化的規(guī)律與混響隨時間衰減的規(guī)律嚴格相反是很困難的，補償?shù)姆椒ㄊ窃黾右粋€自動增益控制器(AGC) 12。3回波信號的處理?；夭ㄐ盘柕陌j通常是不規(guī)則的，不便對它進行數(shù)字處理，所以對它整形是必要的，整形電路形式多樣，可以是單穩(wěn)態(tài)電路，也可以是施密特觸發(fā)器或其它電路。為了進一步濾除噪聲及混響的影響，可設置一門限檢測閾值，該門限電平一般大于噪聲的均方根值。當信號超過閾值時判斷為有目標回波，若閾值過高，只有強信號才能被檢出，這樣檢出概率就降低；若閾值過低，信號

28、超過閾值的機會多了，但同時噪聲超過閾值的機會也多，則檢出的有用信號夾雜的噪聲就會增多。4對目標回波信號的進一步處理。進行數(shù)字濾波和計算，求從發(fā)射信號開始到收到目標回波為止的深度(距離)歷經(jīng)時間值，并將它轉換成深度(距離)值，然后將此值顯示并打印?？刹捎梦⑻幚砥?。本系統(tǒng)中，由ARM產(chǎn)生的波形通過隔離放大后驅動超聲換能器的發(fā)送端，換能器的接收端接收的信號比較弱，另外由于換能器本身的特性和聲程中隨機干擾、傳播介質的非均勻性等造成的信號時延抖動是隨機的，包含很多的噪聲信號。又由于超聲波的傳播介質中存在很多不確定的因素，難以抑制，這樣勢必影響檢測精度。對超聲信號的模擬處理首先我們對信號的輸出端進行隔離，

29、防止回波產(chǎn)生，在混波信號中選取其中有用信號，濾除無用的噪聲信號，防止駐波干擾。在簡單的模擬化處理后，從軟件上對信號進行數(shù)字化的處理。本系統(tǒng)中數(shù)字信號處理是在ARM中用程序來實現(xiàn)的。在此，作者采用平均濾波法，去除最大值和最小值后，將幾個采樣信號的平均值作為一個信號值，這樣就能將信號中的瞬時干擾噪聲減小。選用多少采樣信號求其平均值，是根據(jù)信號頻率及噪聲的特征來確定的。同時也應用程序判斷濾波法，從程序的角度判斷有用信號，將無用信號濾除，通過仿真實驗證明，通過以上的信號處理方法能有效的保證超聲信號的重現(xiàn)，失真程度也很小。3.2系統(tǒng)模塊電路設計圖3-1主機控制器總結構框圖智能測量模塊電路部分主要包括超聲

30、信號檢測電路、LCD液晶顯示、RS232通信接口等部分。主機控制器在液晶顯示屏中將具體數(shù)據(jù)顯示出來，液晶顯示采用字符型液晶顯示模塊。并將測得的數(shù)據(jù)通過串口傳送給上位機，同時進行存儲。主機控制器總結構框圖如圖31所示。3.3系統(tǒng)通信總體設計3.3.1串行通信基本概念（1）數(shù)據(jù)通信的基本概念系統(tǒng)在實際工作中，像上位機的CPU與外部設備之間常常要進行數(shù)據(jù)交換一樣，為了通過上位機對系統(tǒng)進行實時控制，將系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)實時傳送給上位機，所有這些信息交換均可稱為數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)采用的是串行數(shù)據(jù)通信方式，接口為RS232串口，實驗證明這種通信方式簡單易行，符合本系統(tǒng)要求。（2）串行通信圖3-2 發(fā)射接收時鐘數(shù)據(jù)

31、位比較在串行通信過程中二進制數(shù)字系列以數(shù)字信號波形的形式出現(xiàn)。不論接收還是發(fā)送，都必須有時鐘信號對傳送的數(shù)據(jù)進行定位。接收/發(fā)送時鐘就是用來控制通信設備接收/發(fā)送字符數(shù)據(jù)速度的，該時鐘信號通常由處理器內(nèi)部的時鐘電路產(chǎn)生。在接收數(shù)據(jù)時，接收器在接收時鐘的上升沿對接收數(shù)據(jù)采樣，進行數(shù)據(jù)位檢測;在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送器在發(fā)送時鐘的下降沿將移位寄存器的數(shù)據(jù)串行移位輸出。如圖32所示:3.3.2串行通信過程兩個通信設備在串行線路上實現(xiàn)成功的通信必須解決兩個問題:一是串并轉換，即如何把要發(fā)送的并行數(shù)據(jù)串行化，把接收的串行數(shù)據(jù)并行化;二是設備同步，即同步發(fā)送設備和接收設備的工作節(jié)拍相同，以確保發(fā)送的數(shù)據(jù)在接收端

32、被正確讀出。3.4系統(tǒng)通信軟件設計系統(tǒng)通信軟件由下位機、主機控制器通信軟件和上位機控制軟件三部分組成。下位機通信軟件功能主要是接收主機控制器發(fā)送過來的信號，針對各下位機地址發(fā)送應答信號，再根據(jù)主機控制器發(fā)來的控制信號做出相應的反應，隨后發(fā)送主機控制器所需數(shù)據(jù)。其通信功能使用了ARM的串行中斷和查詢收發(fā)狀態(tài)標志位的方法實現(xiàn)。下位機平時對各監(jiān)控點的進行數(shù)據(jù)采集并定時存貯，當有串行中斷時執(zhí)行串行中斷服務程序，判別是否為本機的地址信息，地址信息與本機地址相符時，轉為接收控制命令，并執(zhí)行相應的操作；地址信息與本站地址不符時則退出中斷。下位機通信流程圖如圖3-4所示。 圖3-4下位機通信流程圖3-5 上位

33、機通信軟件界面主機控制器的通信軟件實現(xiàn)功能主要包括呼叫各從機，并向各機發(fā)送查詢控制命令。其工作過程為控制器發(fā)送需呼叫的從機的地址，然后等待接收從機的應答信號，若應答信號正確即發(fā)送控制命令，若應答信號不正確則重新發(fā)送需呼叫的地址，并等待接收應答信號，接收到應答信號后接收有個下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲在相對應的數(shù)據(jù)存儲區(qū)并在LCD液晶顯示屏中顯示出來。本系統(tǒng)的上位機控制軟件由Delphi7編寫，具有良好的可視效果，功能包括數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、串口通信設置等功能。上位機通信軟件界面如圖3-5。第四章 系統(tǒng)硬件設計4.1關鍵器件選擇4.1.1嵌入式ARM微處理器LPC2131（1）嵌入式ARM微處理器LP

34、C2131概述LPC2131是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-STM CPU15，并帶有32kB、64kB 和512kB 嵌入的高速Flash 存儲器15。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行17。多個32 位定時器、1個或2 個10 位8 路的ADC、10 位DAC、PWM 通道、47 個GPIO 以及多達9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應用以及醫(yī)療系統(tǒng)18 （2）嵌入式ARM微處理器LPC2131主要特性19 2 個32 位定時器/計數(shù)器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM 單元（6 路輸出）

35、和看門狗。 多個串行接口，包括2 個16C550 工業(yè)標準UART、2 個高速I2C 接口（400 kbit/s）、SPITM 和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP。 片內(nèi)晶振頻率范圍：130 MHz。 單電源，具有上電復位（POR）和掉電檢測（BOD）電路： 高速：RISC型8051內(nèi)核，速度比普通8051快12倍。4.1.2液晶顯示器液晶顯示器(LCD)憑借其功耗低、圖形美觀等多種優(yōu)勢，在儀器儀表產(chǎn)品中得到越來越多的應用，F(xiàn)YD12864-0402B是一種多功能的LCD驅動器,可以用軟件的方式設定系統(tǒng)功能，由于選擇的是串行數(shù)據(jù)傳輸方式，所以FYD12864-0402B和ARM之間只需要

36、6根線的接口。 4.1.3 超聲波傳感器本測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器20采用生產(chǎn)的T40-16（送信用）和R40-16 (受信用) 的壓電陶瓷傳感器21。下圖為超聲波傳感器的型號說明：圖4-1 超聲波傳感器型號說明4.2超聲波檢測模塊超聲波檢測模塊主要包括發(fā)射超聲波產(chǎn)生、超聲傳感器驅動部分、超聲回波的接收放大、濾波、信號比較電路。根據(jù)所選超聲波傳感器的類型及個數(shù)，超聲波檢測電路可分為：收發(fā)分體回路和收發(fā)一體回路。下面對兩種方案進行介紹。4.2.1超聲波收發(fā)分體回路設計圖4-2 硬件電路整機原理圖該方案采用一對單收、單發(fā)型超聲波傳感器。發(fā)射電路主要由超聲波傳感器（發(fā)射），集成電路IC555、IC4

37、049組成。電路采用555集成芯片構成一個頻率為40kHz的多諧振蕩器，再通過IC4049集成電路驅動超聲波傳感器。接收電路主要由超聲波傳感器（接收），集成運放LM5532，比較器LM393，集成電路IC4011，IC555以及三極管9012組成。IC555構成一個延時回路，主要是用來設置超聲波檢測的盲區(qū)22。集成運放LM5532構成一級、二級放大電路，實現(xiàn)對超聲波回波信號的增幅，LM393則是運用電壓比較的原理來設置檢測回波的閾值，從而識別回波信號的到達。四個2輸入的與非門4011構成一個RS觸發(fā)器，保持超聲波的檢出信號為一脈寬可變的正脈沖，脈沖寬度就是超聲波渡越時間，三極管9012用來實現(xiàn)

38、對檢出正脈沖信號進行放大，然后送給ARM的中斷口。ARM通過中斷啟動內(nèi)部計數(shù)器對正脈沖進行計數(shù)，再進行處理得到脈沖的寬度，即超聲波的渡越時間23。超聲波的整機、發(fā)送及接收電路如圖4-2和圖4-3、圖4-4所示。圖4-3 超聲波發(fā)送模塊（a）超聲波接收電路（b）延時電路（c）保持檢出回波電路 圖4-4 超聲波接收電路4.2.2超聲波收發(fā)一體回路設計該方案采用收發(fā)兼用型超聲波傳感器。收發(fā)一體回路24主要由集成電路IC4049,IC4011,集成運放LM5532,比較器LM393及二極管，三極管組成。電路由ARM的T0口產(chǎn)生40kHz超聲波，經(jīng)三極管構成的共射極放大電路放大，再經(jīng)過IC4049驅動超

39、聲波傳感器。收到的回波信號經(jīng)過LM5532一、二級放大，在經(jīng)過比較器LM393和IC4011構成的RS觸發(fā)器檢出一脈寬可變的正脈沖信號，脈寬就是超聲波的渡越時間，檢出的正脈沖被送到ARM的中斷口，ARM通過中斷啟動內(nèi)部計數(shù)器對正脈沖進行計數(shù)，再進行處理得到脈沖的寬度，即超聲波的渡越時間。超聲波收發(fā)一體電路如圖4-5所示。圖4-5 超聲波收發(fā)一體電路以上兩種方案的主要區(qū)別是分體回路發(fā)送的40kHz超聲波由硬件電路產(chǎn)生，一體回路的40kHz超聲波ARM25通過軟件編程產(chǎn)生，從總體上考慮本系統(tǒng)采用收發(fā)分體方案，因為本系統(tǒng)的可編程模塊較多，加上ARM的容量有限，在設計的時候要盡量減少系統(tǒng)的程序，所以本

40、系統(tǒng)采用收發(fā)分體回路。4.3液晶模塊4.3.1 FYD12864-0402B液晶模塊介紹（1）FYD12864-0402B引腳說明管腳號名稱LEVEL功能1VSS0V電源地2VDD+5V電源正（3.0V-5.5V）3V0-對比度（亮度）調整4CSH/L模組片選端，高電平有效5SIDH/L串行數(shù)據(jù)輸入端6CLKH/L串行同步時鐘：上升沿時讀取SID數(shù)據(jù)15PSBLL：串行方式17/RESETH/L復位端，低電平有效19AVDD背光源電壓+5V20KVSS背光源負端0V（2）時序圖與指令表1. 串口讀寫時序圖圖 4-6 串口讀寫時序圖2. 串口數(shù)據(jù)線模式數(shù)據(jù)傳輸過程圖圖 4-7串口數(shù)據(jù)線模式數(shù)據(jù)傳

41、輸過程圖4.3.2 FYD12864-0402B液晶模塊的應用（1）與嵌入式ARM微處理器接口ARM與液晶FYD12864選用串行總線通信方式，所以液晶FYD12864的15腳PSB接低，ARM通過P0.13腳和FYD12864液晶模塊進行通信，時鐘控制由P0.11腳完成，P0.15腳控制FYD12864的片選端CS，其中ARM與液晶供地。4.4串口通信模塊4.4.1 串行通信協(xié)議通信協(xié)議是對數(shù)據(jù)傳送方式的規(guī)定，包括數(shù)據(jù)格式的定義和數(shù)據(jù)位定義等。通信方式必須遵從統(tǒng)一的通信協(xié)議。串行通信協(xié)議包括同步協(xié)議和異步協(xié)議兩種，在這里只討論異步串行通信協(xié)議。要想保證通信成功，通信雙方必須有一系列的約定。這

42、種約定就叫做通信規(guī)程或協(xié)議，它必須在編程之前確定下來。只有雙方都正確地識別并遵守這些規(guī)定才能順利地進行通信。4.4.2 串行通信總線標準接口由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以要使用SP3232E進行RS-232電平轉換。JP6為UART0口連接跳線，當使用串口功能時，將這些跳線短接到相應的功能端，JP6應短接TxD0和RxD0，在本系統(tǒng)中SP3232E芯片與ARM接口如圖4-9所示。圖4-9 SP3232E和ARM接口4.5溫度補償模塊由于超聲波的聲速受環(huán)境溫度的影響較大，所以在應用超聲波進行檢測時，需要對超聲波的速度進行溫度的補償。本系統(tǒng)采用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線、數(shù)字式溫度傳感器DS18B

43、20采集環(huán)境溫度送給ARM，由ARM通過軟件編程對超聲波的速度進行溫度補償。4.5.1溫度傳感器DS18B20原理DS18B20為1-Wire總線的數(shù)字溫度傳感器26，其可提供可編程的9位至12位的攝氏溫度(對于華氏溫度應用場合，可以查表轉換)的測量，其功能模塊圖如圖4-10所示，引腳定義為: GND-地；VDD-電源；DQ-數(shù)據(jù)輸入輸出端。配置寄存器用以給用戶自由選擇將DS1SB20傳感器的數(shù)字輸出設置為9,10,11或12位。8位CRC發(fā)生器用于暫存器讀寫階段提供循環(huán)冗余檢驗使用。圖4-10 DS18B20功能模塊圖4.5.2 DS18B20與ARM接口電路DS18B20與ARM微處理器的

44、硬件接口比較簡單。圖4-11和圖4-12給出了DS18B20在兩種供電方式下的硬件接口電路圖。當設備使用外部電源供電的時候，使用ARM的一個通用接口就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。圖4-11 DS18B20寄生供電電路圖4-12 DS18B20外部供電電路DS18B20也可以采用寄生電源供電，這在遠程度測量和測量空間受限制的情況下特別有價值。需要注意的是，DS18B20在進行溫度轉換或者將暫存寄存器里面的數(shù)據(jù)復制到EEPROM27內(nèi)的時候，所需要的電流會達到1.5mA。這個電流將通過上拉電阻導致不期望的壓降，而且超出了Cpp即所能提供的電流，此時可用如圖4-11所示的一個三極管來提供電流。在本系統(tǒng)中DS

45、18B20與ARM的接口電路如圖4-13所示。圖4-13 DS18B20與ARM2131接口電路4.6電源模塊系統(tǒng)內(nèi)部配置了+12V和+5V的穩(wěn)壓源，外部配置了12V24V的直流輸入接口，用戶有很大的選擇空間。系統(tǒng)內(nèi)部電源模塊如圖4-12。圖4-14 系統(tǒng)電源模塊第五章 系統(tǒng)軟件設計5.1系統(tǒng)程序總體設計本系統(tǒng)采用嵌入式ARM微處理器LPC2131為控制核心控制器件28，用C語言進行編程。本章主要介紹用系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件主要有兩部分：上位機（PC）控制軟件和下位機（嵌入式ARM微處理器）控制軟件。下位機軟件包括40kHz超聲信號的產(chǎn)生、回波檢測29、數(shù)據(jù)處理程序、溫度檢測、液晶、SP3

46、232E芯片、存儲器芯片的驅動程序。上位機軟件主要是串口通信軟件包括串口設置，發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)窗口等，可以在線設置各種通信速率、奇偶校驗、通信端口而無需重新啟動程序，可以設置定時發(fā)送的數(shù)據(jù)以及時間間隔；可以自動顯示接收到的數(shù)據(jù)，并能在字符串、十進制和十六進制之間進行切換30；設置串口連線DTR、RTS線和顯示CD、CTS、DSR線的狀態(tài)。軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)的最終實現(xiàn)必須要依靠軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)下位機軟件功能框圖如圖5-1所示，系統(tǒng)上位機軟件流程框圖如圖5-2所示：圖5-1下位機軟件功能框圖圖5-2 上位機軟件流程圖5.2下位機程序設計 系統(tǒng)的下位機主要負責環(huán)境溫度的采集及超聲測量信息的

47、采集、處理、保存并通過串口將最終結果傳送給上位機。系統(tǒng)測試的結果由ARM控制在液晶上顯示。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5-3所示。下面對各個電路模塊的程序設計進行說明。圖5-3 下位機主程序流程圖（1）超聲波（40kHz）的產(chǎn)生40kHz超聲波的產(chǎn)生運用了ARM的內(nèi)部時鐘來實現(xiàn)的，通過軟件將ARM的某個I/O口(系統(tǒng)為P0.0腳)置“1”或“0”，高低電平的周期為25us。根據(jù)系統(tǒng)硬件要求在發(fā)射超聲波時需要發(fā)送6-10個波。具體檢測程序見附錄（2）超聲波渡越時間的檢測系統(tǒng)收到的回波信號被放大、濾波、比較處理，最終送到ARM中斷口的是一脈寬可調的正脈沖，脈寬就是超聲波的渡越時間。具體程序見附錄。（3）F

48、YD12864-0402B液晶模塊驅動程序設計FYD12864-0402B液晶模塊程序實現(xiàn)流程圖如圖5-4，具體程序見附錄。圖5-4 FYD12864-0402B液晶模塊程序流程圖（4）溫度傳感器驅動程序設計本系統(tǒng)采用DALLAS半導體公司最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，DS18B20是支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。由于 DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次

49、命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20時序圖如下圖所示。圖5-5 DS18B20復位時序圖5-6 DS18B20讀時序 圖5-7 DS18B20寫時序5.3上位機程序的設計系統(tǒng)上位機程序是在Delphi的開發(fā)環(huán)境中利用了微軟的Visual Basic中提供的一個串口控件-Microsoft Communication Control（簡稱MSComm）控件進行串口編程的。5.3.1 MSComm控件處理通訊方式（1）事件驅動方式事件驅動通訊是處理串行端口交互作用的一種非

50、常有效的方法?？梢岳?MSComm 控件的OnComm 事件捕獲并處理這些通訊事件。OnComm 事件還可以檢查和處理通訊錯誤。在編程過程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。（2）查詢方式 查詢方式實質上還是事件驅動，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個關鍵功能之后，可以通過檢查 CommEvent 屬性的值來查詢事件和錯誤。如果應用程序較小，并且是自保持的，這種方法可能是更可取的。5.3.2 MSComm控件屬性MSComm控件有很多重要的屬性，但首先必須熟悉幾個屬性31：CommPort設置并返回通信端口號：Settings以字符串的形式設置并返回數(shù)據(jù)

51、傳輸速率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位；PortOpen設置并返回通信端口的狀態(tài)，也可以打開和關閉端口；Input從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符；Output向傳輸緩沖區(qū)寫一個字符串。MSComm控件常用的幾個屬性：CommPort屬性、Settings屬性、PortOpen屬性、Input屬性、Output屬性。5.3.3 MSComm控件的使用 MSComm控件通過串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為應用程序提供串行通信功能，使用非常方便。下面對Delphi中使用MSComm控件進行通信編程進行簡單介紹。（1）初始化并打開串口設置MSComm控件的屬性可以在程序設計期時直接指定，也可以在程序運行期間設置。除

52、了使用對象觀察器設置MSComm控件的屬性外，Delphi還提供了一個屬性對話框，雙擊窗體中的MSComm控件即可彈出，可以通信端口號、通信協(xié)議 、傳輸速率參數(shù)、數(shù)據(jù)接收格式、通信端口開/關進行設定。（2）捕捉串口事件MSComm控件可以采用查詢或事件驅動的方法從端口獲取數(shù)據(jù)。由于控件的OnComm事件通過CommEvent屬性能夠反映串口當前發(fā)生的錯誤和事件，所以操作串口最簡單的方法就是適當?shù)卦O置控件Rtreshold屬性為一個正數(shù)，然后編寫其OnComm事件處理代碼。（3）串口的讀寫串口的讀寫分為兩種情況：字符串的讀寫和二進制數(shù)的讀寫。由于Input和Output中都是Variant變量 ，Delphi能夠直接將它們和字符串類型相互轉換，所以可以直接讀取MSComm控件的Input屬性，以及直接用字符串為Output屬性賦值。如果雙方是以二進制形式發(fā)送數(shù)據(jù)，如果一方以字符串形式讀寫，那么通信就會失敗。（4）關閉串口在使用完MS