1、 专业综合设计 项目名称 基于 ARM9 的超声波的温度补偿测距仪 专业班级 学生姓名 指导教师 2013 年 7 月 1 日 专业综合设计 1 摘 要 摘要：介绍基于 ARM 处理系统的超声波测距系统的组成，给出了工作原理以及程序设计的方 法，分析了在该系统下超声波测距模块驱动程序的结构。设计了发射 /接收电路。 发明涉及到仪器的测量距离，最主要的是，这种仪器，其中两点之间传输超声波。精密机床必须校准。在过去，这已经利用机械设备来完成，如卡钳，微米尺等。不过，使用这种装置并不利于本身的自动化技术发展。据了解，两点之间的距离可以通过测量两点之间的行波传播时间的决定。这样的一个波浪型是一种超声波
2、，或声波。当超声波在两点之间通过时，两点之间的距离可以由波的速度乘以测量得到的在分离的两点中波中转的时间。因此，本发明提供仪器利用超声波来精确测量两点之间的 距离对象。 当任意两点之间的介质是空气时，声音的速度取决于温度和空气的相对湿度。因此，它是进一步的研究对象，本次的发明，提供的是独立于温度和湿度的变化的新型仪器。 这项距离测量仪器发明是根据上述的一些条件和额外的一些基础原则完成的，其中包括一个参考单位和测量单位。参考和测量单位是相同的，每个包括一个超声波发射机和一个接收机。间隔发射器和接收器的参考值是一个固定的参考距离，而间距之间的发射机和接收机的测量单位是有最小距离来衡量的。 在每一个
3、单位，发射器和接收器耦合的一个反馈回路，它会导致发射器产生超声脉冲，这是 由接收器和接收到一个电脉冲然后被反馈到发射机转换，从而使重复系列脉冲的结果。 重复率脉冲是成反比关系之间的距离发射器和接收器。在每一个单位，脉冲提供一个反馈。由于参考的距离是众所周知的声速，比例反产出是利用数学以确定所期望的距离来衡量。由于这两方面都是相同的影响，温度和湿度的变化，采取的比例相同，由此产生的测量变得准确。 关键词： ARM；超声波；测距； 专业综合设计 2 Abstract Abstract:An ultrasonic distance meter cancels out the effects of t
4、emperature and humidity variations by including a measuring unit and a reference unit. In each of the units, a repetitive series of pulses is generated, each having a repetition rate directly related to the respective distance between an electroacoustic transmitter and an electroacoustic receiver. T
5、he pulse trains are provided to respective counters, and the ratio of the counter outputs is utilized to determine the distance being measured. A.BACKGROUND OF THE INVENTION This invention relates to apparatus for the measurement of distance and, more particularly, to such apparatus which transmits
6、ultrasonic waves between two points. Precision machine tools must be calibrated. In the past, this has been accomplished utilizing mechanical devices such as calipers, micrometers, and the like. However, the use of such devices does not readily lend itself to automation techniques. It is known that
7、the distance between two points can be determined by measuring the propagation time of a wave travelling between those two points. One such type of wave is an ultrasonic, or acoustic, wave. When an ultrasonic wave travels between two points, the distance between the two points can be measured by mul
8、tiplying the transit time of the wave by the wave velocity in the medium separating the two points. It is therefore an object of the present invention to provide apparatus utilizing ultrasonic waves to accurately measure the distance between two points. When the medium between the two points whose s
9、pacing is being measured is air, the sound velocity is dependent upon the temperature and humidity of the air. It is therefore a further object of the,present invention to provide apparatus of the type described which is independent of temperature and humidity variations. 专业综合设计 3 B.SUMMARY OF THE I
10、NVENTION The foregoing and additional objects are attained in accordance with the principles of this invention by providing distance measuring apparatus which includes a reference unit and a measuring unit. The reference and measuring units are the same and each includes an electroacoustic transmitt
11、er and an electroacoustic receiver. The spacing between the transmitter and the receiver of the reference unit is a fixed reference distance, whereas the spacing between the transmitter and receiver of the measuring unit is the distance to be measured. In each of the units, the transmitter and recei
12、ver are coupled by a feedback loop which causes the transmitter to generate an acoustic pulse which is received by the receiver and converted into an electrical pulse which is then fed back to the transmitter, so that a repetitive series of pulses results. The repetition rate of the pulses is invers
13、ely related to the distance between the transmitter and the receiver. In each of the units, the pulses are provided to a counter. Since the reference distance is known, the ratio of the counter outputs is utilized to determine the desired distance to be measured. Since both counts are identically in
14、fluenced by temperature and humidity variations, by taking the ratio of the counts, the resultant measurement becomes insensitive to such variations. 专业综合设计 4 目 录 摘要 . I Abstract. 2 第 1 章 绪论 . 5 1.1 课题研究背景 . 5 1.2 课题研究意义 . 5 第 2 章 设计方案 . 6 2.1 超声波测距原理 . 6 2.2 温度补偿及其原理 . 7 第 3 章 硬件设计 . 9 3.1 系统总体设计 .
15、 9 3.2 超声波电路 . 9 3.2.1 超声波发射电路 . 9 3.2.2 超声波接收电路 . 10 3.3 温度补偿电路 . 10 3.4 显示电路 . 11 第 4 章 软件设计 . 13 4.1 超声波发生子程序和超声波接收中断程序设计 . 15 4.2 温度采集及波速补偿程序设计 . 15 第 5 章 仿真与调试 . 16 5.1 测量数据 . 16 5.2 数据分析 . 17 结论 . 18 参考文献 . 19 附录 专业综合设计 5 第 1 章 绪论 从技术上看，超声波测距系统在上个世纪 70 年代已经实用化，从 70 年代末期开始广泛应用于生产领域。于超声波指向性强，能量消
16、耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和 物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在工农业生产上到了广泛的应用。 1.1 课题研究背景 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视的生物作为防御以及捕捉猎物的生存手段，也就是有生物体发出而不被人们所听到的超声波，借助空气媒质传播由被呆捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍物位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小得多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定位 发射，方向性好，
17、轻度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。超声波是指频率在 20kHz 以上的声波 9，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进 入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水
18、平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 1.2 课题研究意义 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水 、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差
19、值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用 5。专业综合设计 6 第 2 章 设计方案 超声波传声器结构简单、行能可靠、成本低、易集成，因此采用超声波测距的方式进行距离测量。 在常温下，超声波的传播速度为 340m/s，但其传播速度 V 易受到空气中的温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响 最大。一般温度每升高 1 摄氏度，声速增加约为 0.6m/s6。表 2-1为超声波在不同温度下的波速值。 表 2-1 一些温度下声速 温度 T/ -30 -20 -10 0 10 20 30 声速 v/m s-1 313 319 322 331 337
20、 344 350 由此可见温度对超声波测距系统的影响是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果，必须对波速进行温度补偿。通过实验可获得波速与温度之间的经验模型： V=331.5+0.607T5， T 为现场温度， V 为实际波速。从式中可看出，要获得精确的波速值，必须首 先获取现场温度 T 的大小。本设计采用 DS18B20 检测现场温度，用以实现实际波速的校准。 2.1 超声波测距原理 超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电
21、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，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 7，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波测距的方法有多种：如往返时间检测、相位检测法、声波幅值检测法。本实验采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或
22、障碍物后反射回来，经反射后由超 专业综合设计 7 声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的 路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离 6。 假定 s 为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为 t s。超声波传播速度为 v/m s-1表示，则有关系式 (2-1) s=vt 2 (2-1) 2.2 温度补偿及其原理 目前，大多数温度测控系统在进行温度测量时，通常采用模拟式温度敏感元件，如热电阻、热电偶、红外测温仪等，将温度转化为电信号，经过信号放大电路放大到合适的范围，再由 A/D 转换为数字量。此种形式的温度测量结构复杂，测量精度易受原器件参数影响。 DS18B20
23、 是 Dallas 公司开发的 1-wire（单总线）高精度数字式半导体温度传感器，它具有节省 I/O 口弦资源，结构简单，成本低廉，精度高，便于总线扩展和维护等诸多特点。 1-wire 是将数据线、控制线、地址线合为 1 根信号线 1。 DS18B20 的测温原理如图 2-1 所示，图 2-1中低温度系数的晶振的振荡频率受温度很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，产生的信号作为计数器 2的脉冲输入图中还隐含着计数门，当计数门打开时， DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时 钟脉冲后进行计数 3，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高
24、温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将 -55所对应的基数分别置入计数器 1 和温度寄存器中，计数器 1的温度寄存器被预置在 -55所对应的一个基数值。 计数器 1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加 16，计数器 1 的预置将重新被装入，重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲进行计数。如此循环直至计数器 2计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图 2-1 中的斜率累加器用于补偿 和修正测温过程中振荡器温度特性的非线性，以产生高分辨率的温度测量。其输出用于修正计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复
25、上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。由经验公式 V=331.5+0.607T 得出现场波速，实现温度补偿。 专业综合设计 8 图 2-1 DS18B20 的测温原理 另外，由于 DS18B20 单总线通信功能是分时完成的，因此他有严 格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对 DS18B20 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化 DS18B20（发复位脉冲）发 ROM 功能命令发存储器操作命令处理数据。 专业综合设计 9 第 3 章 硬件设计 3.1 系统总体设计 本系统由超声波发射、回波信号接收、显示等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。 整个系统由 ARM7 控制，超声波传感器
26、采用收发集成式，应用 HC-SR04。超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收 4。 3.2 超声波电路 3.2.1超声波发射电路 超声波发 射部分是为了让超声波发射端能向外界发出 40 kHz 左右的方波脉冲信号。 40 kHz 左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由 555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机 P3.2端口输出 40 kHz 左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够， 40 kHz方波脉冲信号分成两路，推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射端以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图 3-1所示。图中输出端上拉电阻 R1,R6，一方面可以提高反向器输出高电平 的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间 5。 图 3-1 超声波发射电路
