手持超声波测距仪(杜喆、陈旭、张宏广)

手持超声波测距仪 摘要：本系统为一个手持超声波测试仪。由反相器和变压器构成超声波发射电路，轨至轨型运算放大器OPA2340、模拟开关ADG1611和双比较器LM393构成回波信号放大处理电路。选取Cortex-M0 LPC1114作为核心处理器，并选用液晶显示模块实时显示温度和距离。处理器控制发送信号和接收中断信号，并用温度传感器做温度补偿，从而达到2cm—10m的距离测距。测量误差小，精度高，以每秒更新两次的速度实时地在液晶模块上刷新。本系统使用一节5号电池供电，功耗较低，简易便携。 关键词：超声波测距、回波信号处理、DC—DC升压电路、M0处理器 一、系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证 1.1方案选择与比较 1.1.1电源升压电路设计 方案一：使用四节5号电池串联，为系统提供电源，本方案简易方便，但增加了系统成本，同时增大系统规模，不易便携。 方案二：使用一节5号电池，使用DC—DC升压电路，将电压升至5V，为系统供电。本方案需要使用Boost升压电路，但只需一节电池，可以降低系统成本与电路规模。 综上，方案二比方案一成本低，系统规模小，故选用第二方案。 1.1.2信号发送电路设计 方案一：采用单片机产生40kHz正方波信号，用其控制三极管的开断，使变压器原方线圈两端有40kHz正方波，用放大后的信号去驱动超声波发送头。由于这种情况下变压器的磁通只在单方向变化，而且铁芯在磁通较大时会出现非线性的饱和现象，影响了变压器的效率。 方案二：采用反相器产生两路反相信号，将两路反相信号加在变压器两端，使用本方法可以将信号放大两倍，此方案下，由于变压器原方线圈的波形实际为一个正负交变的方波，铁芯的磁通会发生双向变化，提高了变压器的利用效率。 综上，方案二比方案一发送信号幅值大一倍，对于变压器的利用效率也有所提高，故选用第二种方案。 1.1.3信号接收电路设计 方案一： 将接收探头两端信号叠加一个直流电平，将其抬升到电源轨中间（约为2.5V），再将其放大，然后对信号进行包络检波处理，让信号与设定电压阈值进行比较，最后送入处理器中进行处理。 方案二： 将接收探头两端的信号放大。不抬升电平，此时由于单电源供电，运放只能输出正电压，故只能放大接收信号的负半周期波形，然后将信号进行包络检波处理，通过比较器与设定电压进行比较，最后送入处理器中进行处理。 综上，方案二不需抬升电平，较为简单，而且信号放大裕度提高一倍，故选择方案二。 1.2系统基本框图及方案描述 本系统基本框图如图1所示，主要由升压供电电路、信号发送电路、信号接收电路、ARM处理器、温度传感器和液晶显示模块构成。升压供电电路为整个电路提供电源；测距时，处理器连续发送10个频率为40k的方波，方波经信号发送电路放大后由探头发送出去，当遇到障碍物时，超声波反射回来，将接收到的信号进行放大、检波、比较整形成方波，送入处理器，处理器计算发送、接收时间差，即飞行时间，然后算出相应距离，用液晶模块显示出来。由于声波在空气中的速度与温度有密切关系，故添加一个温度传感器，做温度补偿。 图1.1 系统整体结构 二、理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与计算 2.1.超声波测距原理 谐振频率高于20 kHz 的声波称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高,反射能力越强,而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性,常常用检测飞行时间法进行距离的测量。其工作原理是:超声波探头向介质发射超声波,声波遇到目标后必然有反射回波作用在超声波探头上。若已知介质中声速为c ,测出回波到达时刻与发射初始时刻的时间差为t ,就可以计算出发射点与反射点的距离s ： s = c·t/ 2 其中声速c 与温度有关。如果环境温度变化显著,必须考虑温度补偿问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。空气中声速与温度的关系可以 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为： c = 33114 × 1 + T/ 273≈33114 + 01607 T(m/ s) T 为环境温度。 2.2提高近距离和远距离测量精度的原理 由于超声波在传播过程中,回波信号会随距离的增大而呈指数规律衰减,远目标的回波信号幅度小、信噪比低,用固定阈值的比较器检测回波,可能将噪声误放大为回波信号，从而影响计时的准确性,这必然会影响到测距的准确度。为此我们将使用循环调节接收电路增益倍数的方法来测量距离。增益较小时有最高优先级，若在最小增益时可以检测比较器输出，则不需提高增益；若增益较小时测不出比较器输出，则提高增益再次发射和接收一遍。 三、硬件电路设计 3.1 DC—DC升压电路 如图3.1所示，使用boost升压电路，BSH105一款低阈值的N型MOS管，电源复位后经变压器给输出节点充电，输出节点电压抬升，当达到5.1V时，稳压二极管反向导通，从而使三极管导通，接着MOS管导通，电感L1右端电位被MOS管拉低为0，而电流不能突变，故有电能存储在电感中。 在驱动负载的情况下，输出电容放电，使输出节点电压降低，稳压二极管截止，三极管断开，MOS断开，存储在互感线圈中的能量给输出节点充电，由于电感电流不能突变，故在会给输出节点叠加一个很高的电压，从而导致稳压二极管又反向导通。如此，三极管和MOS管不停地打开与关闭，构成开关升压电源，当频率较高时，输出电压稳定，纹波系数小。 图 3.1 Boost升压电路 3.2信号发送电路 如图3.2所示，由处理器每隔60ms发送频率为40kHz的方波信号，使用反相器将信号变为两路相位差为 的信号，并且各自连接两个反相器，以提高驱动能力。    当不发送信号时，变压器的原方线圈有直流电压，这必然会提高系统功耗，因此在信号回路中增加两个三态门，以便在不工作时断开信号。使用变压器提高发射功率，变压器的变比 ，发送信号时，变压器副方线圈电压可达30V，发射功率较大，从而可以测量较远距离。 图3.2 信号发送电路图 3.3信号接收电路 如图3.3所示，本电路运放选择OPA2340，其为轨至轨双运放，可在单5V供电下工作，且输入电压可低至-0.7V。首先将回波信号进行第一级反向放大，此时只有负半周期的信号被放大，正半周期信号反向放大后截止于0V电平。信号放大倍数为                      第一级输出信号幅度太小，需要进行二级放大，第二级放大器设为同向放大，然后根据距离远近不同，通过模拟开关设置第二级的放大倍数。分别为2、14、28、62倍。 图3.3 信号接收电路 四、软件系统设计 系统上电初始化之后，设置放大为第一档，放大倍数为-44倍，同时读取当前环境温度，接着打开三态门，发送一个40kHz的脉冲波。记下此时时间t1，然后再发送9个40kHz的脉冲波，关闭三态门。在接下来的100ms内打开处理器的中断，如果第一档有中断触发，记下此时时间t2，从而得到飞行时间（t2-t1），做温度补偿后用液晶显示当前距离。 如果第一档没有中断触发，说明距离较远，放大倍数过小，设置放大为第二档，放大倍数为-308倍，若在本档触发，则计算出距离，若无法触发，则放大设为第三档直至第四档。当设置为第四档时，处理器没有中断触发，则是超过了本系统的极限测量距离，无法测量，然后再循环设置为第一档，实现动态循环测量，如此，就可较高精度地测得近距离和远距离。当过了500ms，重新测量前方距离，实现2次/秒的动态刷新频率。 图4.1 软件流程图 五、实验测试及测试结果分析 5.1测试仪器 数字示波器TDS1002B、数字万用表FLUKE15B、函数信号发生器EE1420、四路输出直流稳压电源DF1743003C、20米卷尺、20cm塑料尺。 5.2测试方法及结果 5.2.1系统规模大小评估 本电路系统可以单手持拿，符合题目手持 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。 5.2.2 电源电压测量及功耗测量 电源为5号电池，电压1.5V，使用分立元件升压至5.0V，系统功耗为750mW。 5.2.3近距离测量 系统使用12864液晶显示距离，刷新频率2次/s，无闪烁感。有温度传感器，做温度补偿。 5.2.4近距离测量 实际距离 系统显示距离 相对误差 1.0cm 1.04cm 4.0% 1.5cm 1.55cm 3.3% 2.0cm 2.09 4.5% 3.0cm 3.15cm 5.0% 5.0cm 5.12 2.4% 8.0cm 8.18 2.3% 10.0cm 10.2 2.0% 20.0cm 20.3 1.5%       5.2.5远距离测量 实际距离 系统显示距离 绝对误差 0.3m 0.311 1.1cm 0.5m 0.509 0.9cm 1m 1.013 1.3cm 3m 3.015 1.5cm 5m 5.009 0.9cm 7m 7.014 1.4cm 9m 9.011 1.1cm 10m 10.017 1.7cm       六、总结 由测试结果可知，本系统测量远距离和近距离都达到题目要求，近距离可测到0.5cm，百分误差仅为4%；远距离可测到10m，觉得误差仅为1.7cm。系统测量精度高。而且供电仅为一节单1.5V电池，使用ARM处理器，整个系统功耗低，较好地完成题目指标。 参考文献 [1] 张珂.超声波测距回波信号处理方法的研究[J].测控技术.2008(27)48—50 [2] 祝敏.超声波测距误差分析及修正方法[J].计量与测试技术.2009(36)21—24 [3] 卜英勇.基于单片机的高精度超声波测距系统[J].仪表技术2007(3)66—68 [4] 康华光.电子技术基础(模拟部分).第五版[M].北京:高等教育出版社,2006 [5] 康华光.电子技术基础(数字部分).第五版[M].北京:高等教育出版社,2006 [6] 谢自美.电子线路设计.第三版[M].武汉:华中科技大学出版社,2006 继续阅读