基于超声波定位的科研.docx
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基于超声波定位的科研
目录
第一章绪论1
1.1超声波测距系统概述1
1.2本设计任务的主要内容3
第二章超声波测距系统4
2.1超声波的概述4
2.1.1超声波的传播速度4
2.1.2超声波的物理性质5
2.1.3超声波对声场产生的作用7
2.2超声波传感器8
2.3超声波测距系统8
2.3.1超声波测距系统的组成8
2.3.2超声波测距系统的原理9
第三章系统主要硬件的设计10
3.1方案论证与比较10
3.1.1超声波发射电路10
3.1.2超声波接收电路12
3.2超声波发送电路14
3.3超声波接收电路15
3.4温度采集DS18B20电路16
3.5LCD显示电路17
3.6电源电路18
第四章系统软件的设计20
4.1系统程序的结构20
4.2系统主程序20
4.340KHz超声波发送程序21
4.4超声波的接收和处理21
4.5DS18B20温度采集程序22
4.5.1DS18B20的初始化22
4.5.2字节写入DS18B20程序22
4.5.3字读DS18B20程序22
4.5.4DS18B20温度读取函数22
4.6距离计算程序22
4.7数据转换程序23
4.8LCD显示程序23
4.9基于Proteus的软件仿真23
第五章误差分析及改进26
5.1误差分析26
5.2改进26
参考文献27
结束语28
第一章绪论
1.1超声波测距系统概述
随着科技的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,城市给排水系统也有较大发展,其状况不断改善。
但是,由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素,城市给排水系统,特别是排水系统往往落后于城市建设。
因此,经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。
城市污水给人们带来了困扰,因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理,人们生活舒适显得非常重要。
而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统,保证机器人在箱涵中自由排污疏通,是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。
定位控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。
因此,设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。
这就是我设计超声波定位系统的意义。
在基于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。
例如,液面测量就是一种距离测量,传统的电极法是采用差位分布电极,通过给电或脉冲来检测液面,电极长期浸泡于水中或其他液体中,极易被腐蚀、电解,失去灵敏性。
由于超声波具有强度大,方向性好等特点,利用超声波测量距离就可以解决这些问题,因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。
超声波定位系统可用于一定范围的无接触定位,定位精度可达1cm。
由于超声波的传播受环境影响较大,故不推荐在室外使用。
在实际应用中根据环境和具体要求其应用电路可作适当改进。
例如可以将编码信号直接加入到超声波信号中,这样的系统可直接用于对象的识别。
为了增加接收灵敏度,还可以采用类似雷达天线的反射装置。
本文对回波信号进行处理,消减了噪声的影响,较好地完成了超声信号处理的初期工作。
建立的超声回波信号处理数学模型易于实现,目标定位精度高,避免了传统的模拟检测器误差大的缺点,为危险性目标位置的精度定位提供了借鉴作用。
例如对油罐或发酵罐中的也为进行定位,由于油罐底复杂的环境,因此选择超声波定位系统,其主要有两部分组成一部分是罐内接收模块,另一部分是罐外发送模块。
如图1.1
图1.1油罐内液位的定位系统
该罐内液位的定位也采用超声波定位,其中罐内接收信号通过光纤通信系统与罐外工控机进行通信,罐外的超声波发射模块用电缆与工控机通信。
超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建,但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差,调试困难,可扩展性差,所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。
通过简单的外围电路发生和接收超声波,单片机通过采样获取到超声波的传播时间,用软件来计算出距离,并且可以采集环境温度进行测距补偿,其测量电路小巧,精度高,反映速度快,可靠性好。
1.2本设计任务的主要内容
1)超声波测距仪设计要求如下:
该部分包括测量距离<6m;精度优于1%;进行温度补偿;显示方式采样LCD;具有抗干扰能量;体积小、功耗低、便于嵌入到其他系统。
2)硬件电路的设计包括方案的论证;元件的选择;用AltiumDesigner绘制原理图。
3)系统软件的编写包括软件的编写和编译检查;基于Proteus的软件仿真。
4)系统的PCB制作包括PCB布局布线;PCB实验板图的绘制。
5)误差的分析;改进。
第二章超声波测距系统
2.1超声波的概述
超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。
超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。
按超声波振动辐射大小不同大致可以分为:
用超声波使物体或物性变化的功率应用,称之为功率超声;用超声波获取信息,称为检测超声。
超声波是听觉阈值之外的振动,其频率范围在10
——10
Hz,其中通常的频率大约在10
——3
之间。
超声波在超声场(被超声波充满的范围)传播时,如果超声波的波长与超声场相比,超声场很大,超声波就像处在一种无限的介质中,超声波自由地向外扩散;反之,如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近,则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。
于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用:
2.1.1超声波的传播速度
超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波:
横波——质点振动方向垂直于传播方向的波;纵波——质点振动方向与传播方向一致的波;表面波——质点振动介于纵波和横波之间,沿表面传播的波。
横波只能在固体中传播,纵波能在固体液体中和气体中传播,表面波随深度的增加其衰减很快。
为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。
超声波的频率越高,越与光波某些特性相似。
超声波与气其他声波一样,其传播速度与介质密度和弹性特性有关。
超声波在气体和液体中,其传播速度C
=(
)
式中
——介质的密度;
——绝对压缩系数。
可以推导出超声波在空气种传播速度
。
(T为环境温度)。
超声波在固体中的传播速度分两种情况:
(1)纵波在固体介质中的传播速度
其传播与介质的形状有关。
(细棒)…………………………………
(1)
(薄板)……………………………
(2)
(无限介质)…(3)
式中E——杨氏模具;
——泊松系数;
K——体积弹性模具;
G——剪片弹性模。
(2)横波声速公式为
(无限介质)………………(4)
在固体中,
介于0——5之间,因此一般可视为横波声速为纵波的一半。
2.1.2超声波的物理性质
当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时,一部分被反射;另一部分透射过界面,在相邻的介质内部继续传播;这样的两种情况称之为超声波的反射和折射,如图2.1:
图2.1声波反射
(1)超声波的反射和折射
当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时,一部分超声波被反射;另一部分透射过界面,在相邻介质内部继续传播;这样的两种情况称之为超声波的反射和折射,如图2-1所示。
声波的反射系数和透射系数可以分别由如下两式求得:
……………………………………………(5)
………………………………………………(6)
式中:
——分别为声波的入射角和反射角;
——分别为两介质的特征阻抗,其中
为反射波和折射波的速度。
反射角、折射角与声速
满足折射定律关系式:
。
当超声波垂直入射界面时,即
,则:
…………………………………………………(7)
…………………………………………………………(8)
如果sin
>
,入射波完全被反射,在相邻两个介质中没有折射波。
如果超声波斜入射到两个固体介质面或两粘滞弹性介质面时,一列斜入射的纵波不仅产生反射纵波和折射纵波,而且还产生反射横波和折射横波。
(2)超声波的衰减,超声波在一种介质中传播,其声压和声强按指数函数规律衰减。
在平面波的情况下,距离声源x处的声压p和声强I的衰减规律如下:
………………………………………(9)
………………………………………(10)
式中:
——距离声源x=0处的声压和声强;
——超声波与声波间的距离;
A——衰减系数,单位为
(奈培/厘米)。
(3)超声波的干涉
如果在一种介质中传播几个声波,于是产生波的干涉现象。
若以两个频率相同,振幅
和
不等,波程差为d的两个波干涉为例,该两个波合成振幅为
……………………………(11)
其中
为波长。
从上式看出,当d=0或d=
(
为整数)时,合成振幅
达到最大值;当d=
时,合成振幅
为最小值。
当
时,
;当d
的奇数倍时,两波相互抵消合成幅度为0。
由于超声波的干涉,在辐射器的周围形成一个包括最大最小的扬声场。
2.1.3超声波对声场产生的作用
(1)机械作用
超声波传播过程中,会引起介质质点交替的压缩与伸张,构成了压力的变化,这种压力的变化将引起机械效应。
超声波引起质点的运动,虽然位移和速度不大,但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。
有时足以达到破坏介质的程度。
(2)空化作用
在流体动力学指出,存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动,当声压达到一定的值时,气泡将迅速膨胀,然后突然闭合,在气泡闭合时产生冲击波,这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。
(3)热学作用
如果超声波作用于介质时被介质所吸收,实际上也就是有能量吸收,同时,由于超声波的振动,使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量,这种能量使介质温度升高。
2.2超声波传感器
超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类,电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成,具有可逆特性。
压电陶瓷片具有如下特性:
当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时,就会产生“压电效应”,使压电陶瓷也产生机械变形,这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。
也就是说,若在压电晶片两边加以频率为
的交流电电压时,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气的张弛,当
落在音频范围内时便会发出声音。
反之,如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时,那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。
超声波传感器结构如下图2.2和图2.3:
图2.2元件内部结构图2.3超声波外部结构
2.3超声波测距系统
2.3.1超声波测距系统的组成
超声波测距器的系统框图如下图2.4所示:
图2.4超声波系统框图
2.3.2超声波测距系统的原理
在超声探测电路中,发射端得到输出脉冲为一系列方波,其宽度为发射超声的时间间隔,被测物距离越大,脉冲宽度越大,输出脉冲个数与被测距离成正比。
超声测距大致有以下方法:
①取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,故被测距离为S=1/2vt。
本测量电路采用第二种方案。
由于超声波的声速与温度有关,如果温度变化不大,则可认为声速基本不变。
如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒,由单片机负责计时,单片机使用12.0M晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波测距的算法设计:
超声波在空气中传播速度为每秒钟340米(15℃时)。
X2是声波返回的时刻,X1是声波发声的时刻,X2-X1得出的是一个时间差的绝对值,假定X2-X1=0.03S,则有340m×0.03S=10.2m。
由于在这10.2m的时间里,超声波发出到遇到返射物返回的距离如下:
图2.5超声波测距原理图
通过前面介绍了超声波传的特性及超声波测距系统的系统框架,然后进一步概述超声波测距的原理,那么我将在第三章谈谈超声波定位的主要硬件设计。
第三章系统主要硬件的设计
本设计单片机采用Atmel公司的AT89S52,而超声波发射和接收电路有多种,下面将超声波的发射和接收电路挪列出差进行比较;
3.1方案论证与比较
3.1.1超声波发射电路
(1)分立元件构成的发射电路;
图3.1分立元件构成的发射电路
图3.1是由两只普通低频小功率三极管C9013构成的振荡、驱动电路,三极管T1、T2构成两级放大器,但是由于超声波发射头的正反馈作用,这个原本是放大器的电路变成了振荡器。
超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联LC谐振电路,具有选频作用,因此该振荡器只能振荡在超声波发射头的固有谐振频率
。
第二个图中用电感L替代
这样可以增大激励电压,使其具有较大的功率输出。
(2)由集成电路构成的发射电路
图3.2是由555集成芯片构成的振荡、调制、激励电路。
该电路应使用双极型555(内部电路由普通三极管构成),不宜使用单极型7555(内部电路由CMOS电路构成,外部引脚与555相同),其原因是7555带负载能力小。
图3.2由555构成的超声波发射电路
图3.3是由非门构成的一个振荡器发送电路,用非门构成的电路简单,调试容易。
很容易通过软件控制。
图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流,电路驱动能力提高。
图3.3非门构成的发送电路
3.1.2超声波接收电路
由分立元件构成的接收电路;
图3.4为由三极管T1,T2和若干电阻电容组成的两级阻容耦合交流放大电路。
第一级中
为集电极负载电阻;
为偏流电阻,同时引入了交直流并联电压负反馈,可以较有效的稳定静态工作点,改善非线性失真以及增益的稳定性;
是发射极负反馈电阻,引入直、交流串联电流负反馈,具有稳定工作点、增益、改善失真、提高输入阻抗等作用。
图3.4分立元件构成的超声波接收电路
(1)由运算放大器构成的接收电路
图3.5是由运放构成的超声波放大电路,该电路的形式在其他应用中经常遇到,特点如下:
1)一般式用运放组成的放大电路都要求对称的正负电源供电,这里以单电源供电,输出端的静态电位必须设置在1/2的电源电压,这由同相输入端的点位来确定,
和
分压取得1/2的电源电压加到运放的同相输入端,使其电位1/2电源电压。
2)采用同相端输入方式其输入阻抗高,超声波接收传感器的输出信号接到放大器的同相端,有利于超声波传感器充分发挥接收灵敏度和自生的选频作用。
3)反相端对地不提供直流通路,因此通过隔直电容
提供直流通路。
图3.5运放构成的超声波接收电路
(2)LM1812收发集成电路构成
LM1812是一种专用于超声波接收和发送的集成电路,它即可做发送电路,又可以做接收电路使用。
如下图3.6所示:
图3.6由LM1812构成的接收电路
(3)CX20106构成的接收电路如下图3.7所示:
图3.7CX20106构成的接收电路
以上为常用的发射和接收电路,分立元件构成的收发电路容易受到外界的干扰,体积、功耗也比较大。
而集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单,可靠性好,抗干扰能力强,体积小,功耗低的优点,所以首先考虑采用集成电路来组成收发电路。
在由集成电路构成的收发电路中,发射电路我们选用由非门构成,接收电路采用由红外接收检波芯片CX20106构成,主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。
3.2超声波发送电路
超声波发生器包括超声波产生电路和超声波发射控制电路两个部分,超声波探头(“也称为超声波换能器”)的型号选用CSB40T(其中心频率为40KHz)。
可以采用软件产生40KHz的超声波信号,通过输出引脚输入至驱动器,经过动器驱动后推动探头产生超声波。
这种方法的特点是充分利用软件,灵活性好,但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。
第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号,并直接驱动超声波换能器产生超声波。
这种方法的特点是无需驱动电路,但缺乏灵活性。
本次我们采用第一种方法产生超声波,非门可以选用74LS04,具体电路如图3.13所示:
3.13超声波发送电路
从图中可知,当输入的信号为高电平时,上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电平,下面经过一级反向后为低电平;当输入信号为低电平时,正好相反,实现了振荡的信号驱动CSB40T,只要控制信号接近40KHz,就能产生超声波。
3.3超声波接收电路
超声波接收包括接收探头,信号放大以及波形变换电路三部分,超声波接收探头必须与发送探头相同的型号,否则可能导致接收效果甚至不能接收。
由于超声波接收探头的信号非常弱,所以必须用放大器放大,放大后的正弦波不能被微处理器处理,所以必须经过波形变换。
本次设计为了降低调试难度,减少成本,提供系统可靠性,所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106,由于红外遥控的中心频率在38KHz,和超声波的40KHz很接近,所以可以用来做接收电路。
CX20106是日本索尼公司的产品,采用单列8引脚的直插式封装,内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路,配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理,该芯片内部如下图3.14所示:
图3.14CX20106
CX0106构成本次设计接收电路如下图3.15所示:
图3.15超声波接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近,可以利用它制作超声波检测接收电路。
实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平),具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当更改电容CS的大小,可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
因此,使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。
3.4温度采集DS18B20电路
物理学告诉我们,超声波在空气中的传播速度为:
,由此可见,超声波的速度和温度密切关系,即温度每增加1°C,超声波速度约增加0.61m/s,本次我们考虑温度补偿,以使我们的设计更加精确,温度的采集通常使用DS18B20一线式数字温度传感器,电路非常简洁,具体电路图如下图3.16所示。
图3.16DS18B20温度补偿电路
DS18B20是美国DALLS公司推出的DS1820的替代产品,具有9、10、11、12位的转换精度,未编程时默认的精度是12位,测量精度一般为0.5°C,软件处理后可以达到0.1°C,温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供,低位在先,以0.0625°C/LSB形式表达。
其中高五位为扩展符号位。
转换周期与转换精度有关,9位转换精度时,最大转换时间为93.7ms,12位转换精度时,最大转换时间为750ms。
DS18B20引脚判断方法是:
字面朝人,从左到右依次是1(GND)、2(输入/输出)、3(VDD)。
图中的R13为上拉电阻,阻值选5K左右。
3.5LCD显示电路
本设计采用LCD液晶显示屏显示。
其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点,这里使用YB1602液晶屏,1602显示模块用点阵图形显示字符,显示模式分为2行16个字符。
如下图3.17所示:
图3.17LCD显示电路
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,'A’。
1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。
显示模式设置:
(初始化)
00110000[0x38]设置16×2显示,5×7点阵,8位数据接口;
显示开关及光标设置:
(初始化)
00001DCBD显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)
000001NSN=1(读或写一个字符后地址指针加1&光标加1),
N=0(读或写一个字符后地址指针减1&光标减1),
S=1且N=1(当写一个字符后,整屏显示左移)
s=0当写一个字符后,整屏显示不移动
数据指针设置:
数据首地址为80H,所以数据地址为80H+地址码(0-27H,40-67H)
其他设置:
01H(显示清屏,数据指针=0,所有显示=0);02H(显示回车,数据指针=0)。
3.6电源电路
电源电路采用普通可调电源供电,该电源不含稳压器,所以在设计中需要用稳压器进行稳压,我们选用LM7805来获得稳定的+5V直流电压,LM7805引脚排列和典型应用如下图3-18所示:
图3.18LM7805引脚和典型应用
本设计电源电路如下3.19:
输入电压(<21V)经过7805的稳压输出+5V的电压,图中的IN4007为保护7805,防止电源极性接反损坏7805,滤波电容采用100uF电解和104瓷片电容并联使用,电磁兼容的实践证明,两个差100倍的电容并联使用效果很好。
图3.19电源电路
第四章系统软件的设计
4.1系统程序的结构
(1)DS18B20温度传感器接口模块,分为初始化程序、写入命令以及读取子程序等部分;
(2)基于YB1602的显示模块,分为初始化子程序、写入子程序以及显示子程序;
(3)温度补偿与距离计算模块、分为超声波发送控制程序、接收处理程序、温度补偿子程序等;
(4)(本次设计使用C语言编写程序,C语言相比汇编有许多的优势;编译器使用Keil
Version2进行程序编译,Keil功能强大使用方便。
(5)主程序,分为系统初始化、按键处理以及各个子程序的调度管理等部分。
如图4.1所示描述了各个模块的关系:
图4.1软件系统框图
4.2系统主程序
本设计主程序的思想如下:
(1)温度为两位显示,距离为四位显示单位为mm;
(2)温度每隔900ms采样一次,DS18B20在12位精度下转换周期为750ms,故900ms满足该速度要求;超声波每隔60ms发送一次。
(3)按键S为测量启动键;
(4)系统采用AT89S52的内时钟:
12MHz;
(5)没有使用看门狗功能;
(6)超声波发送一定时间后才开始启动检测,避免直达信号造成误判。
所以系统最小测量约为112mm;
系统主程序见附件里。
4.340KHz超声波发送程序
超声波的每过60ms发送一次,通过定时器T0中断中发送超声波,超声波发送后延时一段时间后返回,防止余波被接收头接收误判,程序见附录:
/定时器0溢出中断函数,每60MS溢出/
4.4超声波的接收和处理
超声波由超声波接收头接收,经过CX20106检波放大变换后送到单片机的P2.6脚,程序中通过指令:
Wile(0==CSBIN);
来查询,接收到超声波信号后往下面执行,进行计算处理。
本设计中需注意当距离过远或者没有返回信号时候,定时器T1的溢出必须处理。
4.5DS18B20温度采集程序
DS18B20的工作流程是,初始化
ROM操作指令
存储器操作指令
数据传输。
其工作时序包括:
初始化时序、写时序和读时序。
4.5.1DS18B20的初始化
DS18B20的初始化的实质是使DS18B20复位,主要是通过判断存在脉冲的形式来实现的。
首
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