目  錄

二、課題的意義

一、超聲波的定義及特性

二、超聲波測(cè)距原理

1、直接式超聲波測(cè)距法

測(cè)量超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波到超聲波接收器接收到超聲波的時(shí)間t1，已知超聲波在傳播介質(zhì)中的傳播速度V，那么超聲波發(fā)射器與被測(cè)對(duì)象兩者之間的距離S1為：

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2、反射式超聲波測(cè)距法

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圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

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圖3.2 LCD1602液晶顯示模塊設(shè)計(jì)圖

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圖3.3 設(shè)置系統(tǒng)

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圖3.4 報(bào)警系統(tǒng)

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二、引腳接線方式

三、模塊工作原理  

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圖3.8 液位控制模塊

• 總體設(shè)計(jì)
  

過高                 過低

圖4.1 程序設(shè)計(jì)流程圖

二、關(guān)鍵模塊程序設(shè)計(jì)

1、超聲波測(cè)距子程序

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圖4.2 超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)流程圖

測(cè)距程序如下：

void CJ(void)

{

              Trig=1;     //啟動(dòng)一次檢測(cè)模塊

              delay_20us();

              Trig=0; //停止向檢測(cè)模塊Trig端發(fā)送高電平

              while(!Echo);      //無回波時(shí)等待

              TR0=1;             //計(jì)時(shí)開始

              while(Echo);       //有回波是計(jì)數(shù)并繼續(xù)等待

              TR0=0;

              time=TH0*256+TL0;   /計(jì)算超聲波的傳播時(shí)間

              TH0=0;

              TL0=0;

              distance=145.05-time*0.172;//  計(jì)算距離，算出來的單位是mm

              if(distance<=0)distance=0;

              if(distance>=145.05)distance=145.05;

//              distance=(int)(distance*100)/100; //強(qiáng)制保留2位小數(shù)

}

2、按鍵控制子程序

float set_distance(float set_dis)

{

   if(!key3)

     {

                  delay(10);

                 if(!key3)

                 {

                 while(!key3);

                   set_dis=set_dis+b;

                            if(set_dis>=99)

                            set_dis=99;

                 }

}

     ……

              return set_dis;

}

3、顯示子程序

void display(uchar x,uchar y,uchar sz,uint num)//x：位置 y：第幾排 sz:位數(shù) num:值

{

  uchar a[5]={0};

   uchar i=0;

   uint Temp=num;

   while(Temp)

   {

     a[ i] = Temp%10;

                Temp = Temp/10;

                i++;

   }

   if(y%2==1)

       write_Com(0x80+x-1);

              else

                 write_Com(0xc0+x-1);

              for(i=sz;i>0;i--)

                {

                   write_Data(0x30+a[i-1]);

                }            

}

4、主程序

主程序通過調(diào)用個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)各功能。主程序如下：

     void main()

{

uint w;

              init();

              while(1)

              {            

              w++;

              if(w==5)

              {

                            w=0;

                            CJ();

              }

              BJ();                           

              display_Init();

              }

}

5、延時(shí)子程序

void delay(uint x)

{

uint i,j;

for(j=0;j<x;j++)[ size][="" p][p="24," null,="" left][size="12pt]" for(i="0;i
第三節(jié) 本章小結(jié)

第五章 仿真及調(diào)試

第一節(jié) 仿真

結(jié)合Protues和Keil軟件，將設(shè)計(jì)的程序與電路在電腦上仿真，由于超聲波液位測(cè)距模塊沒有相應(yīng)的仿真元件，故超聲波液位測(cè)距模塊無法進(jìn)行仿真，現(xiàn)將實(shí)時(shí)液位設(shè)為一固定值，通過改變?cè)O(shè)定正常液位的上下限來實(shí)現(xiàn)仿真。

如圖5.1，實(shí)時(shí)液位為25.0mm，上限為25.5mm，下限為24.5mm，即當(dāng)實(shí)時(shí)液位在正常液位范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)和水位控制系統(tǒng)均無異常。

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圖5.1 仿真（液位正常）

如圖5.2，實(shí)時(shí)液位為25.0mm，上限為24.5mm，下限為23.5mm，即當(dāng)實(shí)時(shí)液位高于正常液位范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)led1亮，排水系統(tǒng)啟動(dòng)。

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圖5.2 仿真（液位過高）

通過以上仿真，可以說明編寫的程序是正確的，并且能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的所有功能，這也有利于后面的實(shí)物功能實(shí)現(xiàn)。

第二節(jié) 系統(tǒng)測(cè)試

在程序編譯完成并仿真調(diào)試成功和硬件電路制作完成之后，將編譯好的程序下載到本次設(shè)計(jì)所用的單片機(jī)上，進(jìn)行下一步的綜合調(diào)試。綜合調(diào)試成功后對(duì)檢測(cè)控制的重復(fù)一致性和誤差進(jìn)行相關(guān)分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化該系統(tǒng)的性能，以達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的檢測(cè)及控制要求。硬件實(shí)物圖如5.3所示。

現(xiàn)在設(shè)置正常液位下限為80.5mm，上限為99.5mm。

當(dāng)實(shí)時(shí)液位為72.2mm，即液位小于80.5mm時(shí)，系統(tǒng)紅色水位過低報(bào)警燈亮啟，并啟動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)，使得液面逐漸升高。實(shí)物運(yùn)行圖5.4。

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圖5.3 硬件實(shí)物圖

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圖5.4 系統(tǒng)調(diào)試圖（一）

當(dāng)實(shí)時(shí)液位為88.8mm，即液位大于80.5mm且小于99.5時(shí)，液位在正常范圍之內(nèi)，報(bào)警系統(tǒng)和水位控制系統(tǒng)均無異常。實(shí)物運(yùn)行圖如圖5.5。

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圖5.5 系統(tǒng)調(diào)試圖（二）

當(dāng)實(shí)時(shí)液位為110.4mm，大于99.5mm時(shí)，系統(tǒng)綠色水位過高報(bào)警燈亮啟，并啟動(dòng)排水系統(tǒng)，使得液面逐漸下降，直到在正常液位范圍內(nèi)。實(shí)物運(yùn)行圖如圖5.6。

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圖5.6 系統(tǒng)調(diào)試圖（三）

第三節(jié) 本章小結(jié)

在仿真及調(diào)試中總會(huì)遇到一些或大或小的問題，在本次設(shè)計(jì)的仿真及調(diào)試中主要遇到以下三個(gè)問題：

控制電機(jī)起停的繼電器不工作。

問題分析及解決方案：記過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)造成上問題的原因是單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)過一個(gè)功率放大器后仍然太弱，不足以能夠控制繼電器。于是在之前的基礎(chǔ)上再加一個(gè)功率放大器，最后實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)輸出控制信號(hào)通過繼電器控制進(jìn)、排水泵的起停。

用一個(gè)電源為該系統(tǒng)中所有模塊時(shí)，系統(tǒng)不能正常工作。

問題分析及解決方案：查明是水泵負(fù)載過大導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)上述問題。解決辦法是為液位控制模塊單獨(dú)供電。并且設(shè)計(jì)水泵的額定電壓為3.3V，系統(tǒng)提供的電壓為5V不適合為該水泵供電。

在液位控制系統(tǒng)的作用下，液位在設(shè)置的上限和下限附近時(shí)出現(xiàn)抖動(dòng)（進(jìn)（排）水系統(tǒng)時(shí)而運(yùn)行時(shí)而停止、報(bào)警燈持續(xù)閃爍）。

問題分析及解決方案：通過反復(fù)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)是由于液位采集頻率過高，水泵停止時(shí)水管中還未排出的那段水返回原來的水槽內(nèi)。以液位在上限處為例：液位從超出設(shè)定上限在排水泵的作用下剛好低于設(shè)定上限時(shí)，排水泵停止工作，此時(shí)排水管中還未排出的那段水又會(huì)在重力作用下回到被測(cè)液位的水槽中，導(dǎo)致水槽中的水位再一次上升，從而又會(huì)再次啟動(dòng)排水泵，如此循環(huán)。

解決辦法是通過改變控制程序降低液位采集頻率，增大兩次液位檢測(cè)的時(shí)間間隔，從而增大兩次水泵控制信號(hào)發(fā)出的間隔時(shí)間，從而增大這期間水泵的排水量，使得水泵停止后水管中為排出的那段水即使回到水槽中也不會(huì)超過設(shè)定的液位上限。

結(jié)  論

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用超聲波測(cè)距原理，通過軟件程序的編寫、實(shí)物的制作、以及軟硬件的綜合調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的液位測(cè)量及控制功能。系統(tǒng)的實(shí)物包括超聲波發(fā)射及接收模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、設(shè)置模塊、液位控制模塊等；在軟件設(shè)計(jì)上采用了模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，提高了程序編寫的效率。本設(shè)計(jì)能夠?qū)?cm～400cm的距離內(nèi)進(jìn)行有效的測(cè)量，其精度可以達(dá)到1mm，并達(dá)到了低成本、高精度、低功耗、微型化、美觀的預(yù)期設(shè)計(jì)目的。可見基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的超聲波液位測(cè)量控制系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠等特點(diǎn)。本系統(tǒng)不僅可以用于液位檢測(cè)，距離測(cè)量，還可廣泛應(yīng)用于諸如移動(dòng)機(jī)器人精確定位等各種檢測(cè)控制系統(tǒng)中。

附  錄

一、英文原文

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二、英文翻譯

一項(xiàng)超聲波距離測(cè)量中可行且精確的確定飛行時(shí)間的技術(shù)

Tarik Namas and Murat Dogruel

Sarajevo國際大學(xué)自然科學(xué)工程系

電子郵箱: mdogruel@ius.edu.ba

摘要——這篇文章提出了一種關(guān)于在空中高精度超聲波距離測(cè)量的高效算法的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。開始發(fā)射脈沖和響應(yīng)峰值之間的時(shí)差用于確定飛行時(shí)間(TOF)。過濾后的峰值響應(yīng)決定于使用Hilbert變換和適當(dāng)?shù)膾佄锞�插值處理過的一個(gè)特殊的復(fù)雜信號(hào)的幅值。該方法有效地消除了接收信號(hào)中的噪聲和干擾,使得TOF與接收到的信號(hào)強(qiáng)度無關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明精度優(yōu)于千分之一。

【關(guān)鍵詞】 超聲波測(cè)距 飛行時(shí)間 Hilbert變換 拋物線插值

1、簡介

許多科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用需要距離測(cè)量，一些地方需要非接觸式測(cè)量。空氣中的距離通常通過使用超聲波傳感器測(cè)量，這類系統(tǒng)價(jià)格便宜并能提供很好的性能。

根據(jù)不同的應(yīng)用程序中,有很多使用超聲波技術(shù)來測(cè)量距離[1]。

它主要測(cè)量原理是根據(jù)估計(jì)飛行時(shí)間(TOF)來計(jì)算距離。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離d = v×TOF ,v是聲音在傳播介質(zhì)中的速度(通常情況下是空氣速度) [2]。

一個(gè)簡單而快速典型的方法來確定TOF是閾值方法[3]，然而，這種方法不是首選，因?yàn)橛捎谠肼暫湾e(cuò)誤的振幅，所以接收到的信號(hào)并不是固定的。

確定TOF的另一種方法是互相關(guān)技術(shù)[4]。時(shí)間在接收和傳輸信號(hào)之間的哪個(gè)地方互相關(guān)的最大，就在這里取得TOF。

在距離測(cè)量中，一個(gè)不同的概念就是相移法。通過測(cè)量信號(hào)發(fā)射和接收之間的相移計(jì)算距離[5]。組合這兩個(gè)以前的概念被認(rèn)為是第三個(gè)甚至更準(zhǔn)確的概念[6]。

我們采用一種新方法確定TOF，即使用時(shí)間(樣本)的峰值(接收信號(hào))和開始發(fā)射脈沖的不同響應(yīng)。

避免使用被噪聲影響的閾值水平，超聲波前置放大器的峰值轉(zhuǎn)換成舉行脈沖，從而決定TOF。

2、建議方法。

從理論上講,一個(gè)典型雙二階系統(tǒng)的振蕩響應(yīng)如圖1。這個(gè)信號(hào)大約代表當(dāng)一個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)超聲波接收器接收信號(hào)的期望值。

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圖1 超聲換能器的預(yù)期響應(yīng)       圖2 一個(gè)典型的超聲收發(fā)短脈沖的實(shí)際響應(yīng)

另一方面，超聲波收發(fā)器的實(shí)際響應(yīng)是短脈沖，如圖2所示。由于非線性影響，這個(gè)形狀足夠接近,但不完全與圖1中的理論情況下相同。

這種方法介紹了輕松、準(zhǔn)確地找到在脈沖開始和響應(yīng)峰值間的時(shí)差,可以概括為如下：

1．使用數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在延遲之間傳輸大量短脈沖；

2．獲得傳播的信號(hào)和收到的信號(hào),確定開始脈沖的樣本；

3．消除噪聲的影響，從接收到的信號(hào)Sh [n]獲得的帶通過濾過的信號(hào)Sb[n]；

4．找到相應(yīng)的由Sh[n] 到Sb[n] 的Hilbert變換；

5．使用

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確定超聲波的包絡(luò)響應(yīng)；

6．獲得平滑的包絡(luò)信號(hào)，Eb[n]，在E上使用零相位正向和反向帶通濾波；

7．在Eb[n]的峰值處應(yīng)用拋物線插值來確定相應(yīng)的拋物線的最大峰值實(shí)際樣本的位置；

8．計(jì)算實(shí)際樣品差別，在脈沖和高峰值獲得相應(yīng)的TOF；

9．找到所有其他脈沖TOF值脈沖序列,找出TOF的平均水平值準(zhǔn)確地確定距離。

3、實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)的設(shè)置是圖3和圖4所示。使用一個(gè)IOtech PCI-DAQboard / 3000產(chǎn)生脈沖序列和獲取響應(yīng)。

操作在最大1 MHz 16位分辨率。發(fā)射脈沖獲得一個(gè)數(shù)量10伏特樣本，總寬度為12個(gè)微秒。

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圖3 一般的實(shí)驗(yàn)設(shè)置                  圖4 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)設(shè)置

商業(yè)超聲換能器使用40 KHz的中心頻率，發(fā)射器與接收器相對(duì)。如圖5所示。使用MATLAB進(jìn)行重復(fù)的獲取和算法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)安裝在圖4中使用，所以只有一個(gè)模擬輸入通道可以用于發(fā)送和接收信號(hào)。另一種替代方法是使用兩個(gè)模擬輸入獲取信號(hào)和接收信號(hào)。在這種情況下不需要使用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的電阻（鏈接點(diǎn)見圖4)。

用于測(cè)量羅盤實(shí)驗(yàn)平均誤差為0.05毫米。

因?yàn)檫@項(xiàng)工作中使用的采樣率是1MHz，聲音在空氣中傳播速度大概是330米/秒，這個(gè)誤差相當(dāng)于一個(gè)采樣間隔是0.33毫米。

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圖5 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置

4、結(jié)果

在圖6中，10個(gè)傳播的脈沖和對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)顯示在一起。圖7顯示了一個(gè)放大了的脈沖部分。

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圖6 超聲波脈沖序列                  圖7 圖6中的一部分放大

根據(jù)所述方法，可以發(fā)現(xiàn)信號(hào)的包絡(luò)E如圖8所示。平滑的包絡(luò)信號(hào)Eb通過應(yīng)用零相位數(shù)字濾波如圖9所示。

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圖8 超聲波響應(yīng)的包絡(luò)                  圖9 過濾后的包絡(luò)信號(hào)

對(duì)于每一個(gè)距離測(cè)量實(shí)驗(yàn)，都用20個(gè)離散的脈沖延時(shí)16毫秒。每次測(cè)量計(jì)算的平均樣本不同。平均各種距離結(jié)果描繪在圖10中，平均樣本差異和實(shí)際距離呈現(xiàn)非常準(zhǔn)確的線性關(guān)系。

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圖10 平均樣本差異和實(shí)際距離之間的線性關(guān)系

表1中，實(shí)際的測(cè)量距離，平均樣本差異，標(biāo)準(zhǔn)偏差的測(cè)量。從中可以看出標(biāo)準(zhǔn)偏差值非常小，表明測(cè)量非常粗略。

獲得相應(yīng)的距離測(cè)量,平均樣本差異和距離之間形成了一個(gè)仿射關(guān)系，在毫米校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)距離在75.5毫米和146.3毫米之間。

在表2中,實(shí)際的距離和相應(yīng)的超聲測(cè)量的距離,獲得相應(yīng)的測(cè)量誤差。

與用1 MHz超聲波測(cè)量一個(gè)采樣間隔距離產(chǎn)生0.33毫米的誤差相比,相應(yīng)的測(cè)量誤差獲得相當(dāng)小,表明所使用的測(cè)量方法的準(zhǔn)確性和魯棒性。

表1 樣本差異和標(biāo)準(zhǔn)差                   表2 實(shí)際和測(cè)量距離

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5、結(jié)論

研究提出利用包絡(luò)的峰值時(shí)間值的超聲短脈沖響應(yīng)這一新方法計(jì)算飛行時(shí)間。

提出了實(shí)驗(yàn)裝置搭建方式和算法，一個(gè)可行的和準(zhǔn)確的超聲波距離測(cè)量系統(tǒng)就可以通過中等大小單片機(jī)有效地實(shí)現(xiàn)，不需要復(fù)雜的電子設(shè)備和其他方法。

參考文獻(xiàn)

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三、源程序

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基于單片機(jī)的超聲波液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc (4.15 MB, 下載次數(shù): 252)

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