畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-基于arm的超聲波測(cè)距模塊開(kāi)發(fā)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　基于ARM的超聲波測(cè)距模塊開(kāi)發(fā)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 概述1</b></p><p><b>　　1.1課題來(lái)源1</b&g

2、t;</p><p>　　1.2超聲檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)述1</p><p>　　1.2.1超聲波檢測(cè)1</p><p>　　1.2.2超聲檢測(cè)誤差來(lái)源2</p><p>　　1.3系統(tǒng)任務(wù)和要求3</p><p>　　1.4系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)3</p><p>　　1.5系統(tǒng)開(kāi)發(fā)意義及應(yīng)用4<

3、;/p><p>　　第二章 系統(tǒng)原理分析5</p><p>　　2.1超聲波檢測(cè)系統(tǒng)分析5</p><p>　　2.1.1超聲波測(cè)距原理5</p><p>　　2.1.2溫度補(bǔ)償原理5</p><p>　　2.2超聲波檢測(cè)預(yù)備知識(shí)6</p><p>　　2.2.1超聲波的應(yīng)用6<

4、/p><p>　　2.2.2超聲波傳感器7</p><p>　　第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1智能測(cè)量模塊總體設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1.1超聲傳感器的選擇11</p><p>　　3.1.2超聲信號(hào)的處理12</p><p>　　3.2系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)

5、13</p><p>　　3.3系統(tǒng)通信總體設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.3.1串行通信基本概念13</p><p>　　3.3.2串行通信過(guò)程14</p><p>　　3.4系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)14</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1關(guān)鍵器件選

6、擇16</p><p>　　4.1.1嵌入式ARM微處理器LPC213116</p><p>　　4.1.2液晶顯示器16</p><p>　　4.1.3 超聲波傳感器16</p><p>　　4.2超聲波檢測(cè)模塊17</p><p>　　4.2.1超聲波收發(fā)分體回路設(shè)計(jì)17</p><

7、p>　　4.2.2超聲波收發(fā)一體回路設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.3液晶模塊20</p><p>　　4.3.1 FYD12864-0402B液晶模塊介紹20</p><p>　　4.3.2 FYD12864-0402B液晶模塊的應(yīng)用21</p><p>　　4.4串口通信模塊21</p><p>

8、　　4.4.1 串行通信協(xié)議21</p><p>　　4.4.2 串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口21</p><p>　　4.5溫度補(bǔ)償模塊22</p><p>　　4.5.1溫度傳感器DS18B20原理22</p><p>　　4.5.2 DS18B20與ARM接口電路22</p><p>　　4.6電源模塊23&

9、lt;/p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.2下位機(jī)程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　第六章 系統(tǒng)測(cè)試29</p><p>　　6.1系統(tǒng)操作30</p><p>　　6.2測(cè)試結(jié)果分析31</p&g

10、t;<p>　　第七章 系統(tǒng)展望33</p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)34</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p>　　附錄一、系統(tǒng)PCB圖37</p>

11、<p>　　附錄二、整機(jī)實(shí)物圖37</p><p>　　附錄三、主要程序代碼38</p><p><b>　　附錄四、翻譯41</b></p><p><b>　　第一章 概述</b></p><p><b>　　1.1課題來(lái)源</b></p>

12、<p>　　超聲波測(cè)距技術(shù)是近年來(lái)出現(xiàn)的測(cè)距新技術(shù)[1],是一種非接觸的檢測(cè)方式,和紅外、激光及無(wú)線電測(cè)距相比, 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性能高、價(jià)格便宜、安裝維護(hù)方便等優(yōu)異特性,在近距范圍內(nèi)超聲測(cè)距具有不受光線、顏色以及電、磁場(chǎng)的影響,在惡劣作業(yè)環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力[2]。 因此利用超聲波測(cè)距在實(shí)現(xiàn)定位及環(huán)境建模場(chǎng)合,如:液位、汽車(chē)防撞雷達(dá)、井深及管道長(zhǎng)度測(cè)量、機(jī)器人定位、輔助視覺(jué)系統(tǒng)等方面得到廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距

13、儀測(cè)量精度普遍較低,都不能滿足高精度測(cè)量的要求。為了克服此不足, 作者從測(cè)距儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和回波信號(hào)處理的角度出發(fā),提出了基于回波包絡(luò)峰值[3]的檢測(cè)方法，從而進(jìn)一步提高測(cè)距儀超聲檢測(cè)的精度、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性對(duì)。本設(shè)計(jì)是基于ARM來(lái)實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　1.2超聲檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)述</p><p>　　1.2.1超聲波檢測(cè)</p><p>　　聲波是一種能在氣體

14、、液體和固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)聲波振動(dòng)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(tīng)到的聲音的頻率范圍在20Hz～20kHz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(cè)中常用的工作頻率在0.25～20MHz范圍內(nèi)。</p><p>　　由于超聲波具有的這些良好的品質(zhì)，超聲波的研究和應(yīng)用已經(jīng)滲入工

15、業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)學(xué)以及航天和航空等領(lǐng)域并且取得了卓有成效的進(jìn)展[5]。甚至有人認(rèn)為超聲技術(shù)可以和電子技術(shù)、信息技術(shù)以及核技術(shù)相媲美，是一門(mén)具有廣闊發(fā)展前景的高新技術(shù)。</p><p>　　1.2.2超聲檢測(cè)誤差來(lái)源</p><p>　　本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法進(jìn)行物位測(cè)量，通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到被測(cè)界面所反射回來(lái)的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出待測(cè)物位到傳感器的距離L

16、,在已知聲速v的情況下，不難得出：</p><p>　　L=0.5vt （1）</p><p>　　下面對(duì)影響超聲波距離測(cè)量精度的因素進(jìn)行逐一分析。</p><p><b>　?。?）聲速</b></p><p>　　從式(1)可以看出，必須知道聲波在媒質(zhì)中的傳

17、播速度v，才能從傳播時(shí)間求出待測(cè)距離，但是各種媒質(zhì)有不同的聲速。因此，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，很難把聲速看成一個(gè)不變的恒量。當(dāng)媒質(zhì)的成分、溫度、壓強(qiáng)等因素都沒(méi)有很大的變化，而且測(cè)量精度要求又不很高的情況下，把聲速當(dāng)作不變的方法才能勉強(qiáng)滿足測(cè)量要求，否則就應(yīng)該進(jìn)行聲速校正。</p><p>　　在多數(shù)情況下，溫度是影響聲速的一個(gè)重要因素，例如在空氣中聲速理論公式為： （2）</

18、p><p>　　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(shí)式(1)為 m （3）</p><p>　　不難看出，溫度每變化1℃，引起聲速變化約千分之1.8。這對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。所以，應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通常情況下，可在設(shè)備中安裝溫度敏感元件，采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路，利用敏感元件的輸出信號(hào)來(lái)對(duì)聲速進(jìn)行校正。</p><p><b>　　

19、（2）硬件響應(yīng)時(shí)間</b></p><p>　　硬件電路是有一定延時(shí)的。例如濾波電路一般在幾十微秒左右。另外超聲物距測(cè)量系統(tǒng)中廣泛采用ARM來(lái)檢測(cè)渡越時(shí)間，而ARM系統(tǒng)的延時(shí)，相對(duì)來(lái)講也比較大。例如利用ARM的外部中斷來(lái)檢測(cè)回波觸發(fā)信號(hào)。盡管它己經(jīng)被設(shè)置為最高的中斷優(yōu)先級(jí)，并且不會(huì)被其他的中斷所阻礙，但是中斷響應(yīng)是需要一定時(shí)間的。</p><p><b>　?。?）觸

20、發(fā)時(shí)間</b></p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，以接收信號(hào)的幅值超過(guò)我們規(guī)定的閾值時(shí)的時(shí)刻作為停止計(jì)時(shí)信號(hào)[6]。當(dāng)待測(cè)物位發(fā)生變化時(shí)，接收電路輸出信號(hào)的幅值就發(fā)生變化，距離近輸出信號(hào)幅值較大，此時(shí)在回波信號(hào)的第二周幅值就有可能超過(guò)規(guī)定的閾值，進(jìn)而發(fā)出停止計(jì)時(shí)信號(hào)，距離較遠(yuǎn)時(shí)，輸出信號(hào)幅值較小，回波信號(hào)的第3周（甚至第4周)幅值才有可能超過(guò)規(guī)定的閾值，并發(fā)出停止計(jì)時(shí)信號(hào)。從理論上講，停止計(jì)時(shí)信號(hào)應(yīng)在圖中

21、的a點(diǎn)發(fā)出，由于閾值的存在，而實(shí)際停止信號(hào)是在下圖中的a點(diǎn)之后的某一時(shí)刻發(fā)出。并且發(fā)出的時(shí)刻（時(shí)間檢出點(diǎn)）是隨物位的變化而變化，這種“時(shí)間檢出點(diǎn)”的變化就產(chǎn)生了物位測(cè)量的誤差。</p><p>　　1.3系統(tǒng)任務(wù)和要求</p><p>　　1、測(cè)量范圍： 0～15m</p><p>　　2、測(cè)量精度： ±1%</p

22、><p>　　3、使用溫度范圍： -10℃～50℃</p><p>　　4、顯示： 液晶顯示</p><p>　　5、電源： 內(nèi)置電源，外置穩(wěn)壓電源12～24V</p><p>　　6、抗干擾： 去噪聲能力強(qiáng)(檢波能力強(qiáng))</p><p>　　7、檢測(cè)類型：

23、 用1或2個(gè)超聲頭</p><p>　　8、外部接口：RS232接口</p><p><b>　　1.4系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　超聲波測(cè)距技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距電路多種多樣，甚至已有專用超聲波測(cè)距集成電路[７]，但是有的電路復(fù)雜，技術(shù)難度大，有的調(diào)試?yán)щy，專用集成電路的成本很高

24、，操作很不方便。目前，國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路的精度只能達(dá)到厘米級(jí)，可以滿足一般工業(yè)測(cè)量的要求，但對(duì)于一些精度要求較高測(cè)距場(chǎng)合就不合適了。</p><p>　　本測(cè)距系統(tǒng)是基于ARM開(kāi)發(fā)的，抗干擾性強(qiáng)，利用超聲波測(cè)距原理，結(jié)合ARM的數(shù)據(jù)處理，測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)。串行通信、LCD顯示于一體。串行通信功能可以使系統(tǒng)和PC機(jī)進(jìn)行通信；LCD顯示功能用于顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。</p><p>　

25、　本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法測(cè)量超聲波，所謂渡越時(shí)間法可以表述為：設(shè)超聲波發(fā)射傳感器到目標(biāo)障礙物的距離為L(zhǎng)，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(shí)間為t，則L=vt/2。</p><p>　　其中該系統(tǒng)中超聲波的往返時(shí)間間隔由ARM通過(guò)外部中斷定時(shí)獲得，并將定時(shí)結(jié)果通過(guò)軟件的算法算出最終距離，將最終結(jié)果通過(guò)ARM送液晶顯示。再通過(guò)RS232串口通信，將測(cè)得數(shù)據(jù)送給上位機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)

26、的實(shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　為了充分利用ARM中的資源，盡量降低測(cè)距系統(tǒng)的成本，系統(tǒng)采用ARM控制產(chǎn)生40kHz的方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，為了增強(qiáng)測(cè)距范圍，在發(fā)射部分增加信號(hào)功率發(fā)大電路，為了進(jìn)一步提高發(fā)射信號(hào)的功率[８]，從而提高測(cè)距范圍。在對(duì)接收信號(hào)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(guò)程中有很大程度的衰減，當(dāng)?shù)竭_(dá)超聲波接收傳感器的時(shí)候，信號(hào)已經(jīng)此相當(dāng)?shù)男。?/p>

27、因此必須對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行放大，放大后再送往電壓比較器進(jìn)行比較。通過(guò)比較檢測(cè)出有用信號(hào)，送給ARM進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)距離的測(cè)量，由于環(huán)境溫度對(duì)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(duì)超聲波傳播速度進(jìn)行修正。</p><p>　　為了便于實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制，可以將測(cè)量到的數(shù)據(jù)每次距離變化時(shí)通過(guò)串口傳送給上位機(jī)，上位機(jī)可對(duì)測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理。</p><p>　　1

28、.5系統(tǒng)開(kāi)發(fā)意義及應(yīng)用</p><p>　　超聲波檢測(cè)與控制技術(shù)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(cè)量對(duì)象的情況下探測(cè)對(duì)象。距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，超聲波測(cè)距是一種很有效的測(cè)量方法，有著廣泛的應(yīng)用。但目前的超聲波測(cè)距系統(tǒng)存在著精度低，盲區(qū)大及測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定等問(wèn)題。針對(duì)上述缺點(diǎn)，作者 設(shè)計(jì)了獨(dú)特、有效的盲區(qū)消隱和接收信號(hào)處理方法，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而提高了測(cè)量精度和靈活性；以A

29、RM作為控制中心，研制了智能化、便攜式超聲波測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的各種技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到工程應(yīng)用的要求，具有很大的市場(chǎng)潛力。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)原理分析</p><p>　　2.1超聲波檢測(cè)系統(tǒng)分析</p><p>　　2.1.1超聲波測(cè)距原理</p><p>　　本系統(tǒng)以ARM為核心，由ARM控制定時(shí)發(fā)出方波信號(hào)，同時(shí)準(zhǔn)備接收。發(fā)

30、射機(jī)產(chǎn)生40KHz左右的脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，方波信號(hào)經(jīng)超聲波傳感器轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)向障礙物發(fā)射。超聲波信號(hào)在介質(zhì)中傳播遇到待測(cè)物體表面時(shí)，由于不同介質(zhì)的反射性能差異很大，對(duì)超聲波的傳播影響不同。其發(fā)射波被接收電路接收時(shí)，轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)相應(yīng)地選頻、檢波、放大后，再進(jìn)行信號(hào)判別，給ARM相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，ARM對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并參照發(fā)出控制脈沖的基準(zhǔn)時(shí)間，得出超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間。其基本檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法如圖2-1所示

31、。其原理可用公式表示為。</p><p>　　2.1.2溫度補(bǔ)償原理</p><p>　　常溫常壓下，空氣近似為理想氣體。超聲波在理想氣體中傳播速度為 m/s，式中為氣體摩爾質(zhì)量；r為氣體的比熱比；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。對(duì)于一定的氣體r、為定值。由公式可知：聲速與熱力學(xué)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(duì)超聲波的傳播速度的影響，設(shè)0時(shí)聲速為，則t時(shí)聲度

32、為，則 m/s, m/s 。又 0時(shí)，空氣中聲速的實(shí)驗(yàn)值為331.42m/s，那么t空氣中聲速的表達(dá)式為：，式中m/s，即：。用ARM進(jìn)行開(kāi)方運(yùn)算在程序上實(shí)現(xiàn)比較困難，為了便于ARMC語(yǔ)言編程，現(xiàn)用數(shù)學(xué)軟件Matlab編程實(shí)現(xiàn)對(duì)公式的簡(jiǎn)化，運(yùn)用Matlab多項(xiàng)式擬合編程實(shí)現(xiàn)如下：</p><p>　　t=0:0.01:100; %擬合的溫度范圍</p><p>　　

33、v0=331.42*(1+t/273).^0.5; %聲速與攝氏溫度的理論公式</p><p>　　v=polyfit(t,v0,3); %擬合出的聲速與溫度多項(xiàng)式</p><p>　　fv=polyval(v,t);</p><p>　　subplot(1,2,1)</p><p>　　plot(t,v0,'.&

34、#39;,t,fv,'-r');</p><p>　　gtext('藍(lán)色曲線為理論速度曲線');</p><p>　　ylabel('速度 V0((m/s)');</p><p>　　xlabel('溫度 t(℃)');</p><p>　　subplot(1,2,2);<

35、/p><p>　　plot(t,fv,'-r');</p><p>　　y=poly2sym(v);</p><p>　　gtext('紅色曲線為擬合速度曲線');</p><p>　　ylabel('速度 V(m/s)'); 圖2-2擬合曲線和理論曲線比較<

36、;/p><p>　　xlabel('溫度 t(℃)');</p><p>　　運(yùn)行Matlab程序得出的擬合聲速與攝氏溫度曲線與理論上聲速與攝氏溫度曲線對(duì)比圖2-2。運(yùn)行程序后，可得擬合聲速與攝氏溫度的關(guān)系：</p><p><b>　　m/s。</b></p><p>　　于是，通過(guò)傳感器測(cè)的空氣中的溫度代

37、入上述公式，即可得到超聲波在空氣中的傳播速度，再檢測(cè)出超聲波在空氣中傳播的時(shí)間T，便可得到超聲波在空氣中傳播的距離： 。</p><p>　　2.2超聲波檢測(cè)預(yù)備知識(shí)</p><p>　　2.2.1超聲波的應(yīng)用</p><p>　　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(shù)已廣泛用工業(yè)、國(guó)防、交通、生物醫(yī)療和家庭領(lǐng)域[９]。超聲

38、波技術(shù)的應(yīng)用如下表所示。</p><p>　　2.2.2超聲波傳感器</p><p>　　（1）超聲波傳感器原理</p><p>　　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(hào)，在經(jīng)過(guò)放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)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(hào)后，就通過(guò)放大器和

39、濾波器得到控制信號(hào)，送至控制器。圖中的a、b構(gòu)成雙晶體片，再40kHz超聲波驅(qū)動(dòng)下，發(fā)送器中的雙晶體片在不同方向被壓縮或拉伸就形成了超聲波。</p><p>　　(2)超聲波基本特性</p><p>　　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(qiáng)，即超聲聲壓能級(jí)最高，而在兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此在使用當(dāng)中，一定要用頻率

40、接近的交流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dāng)并聯(lián)電阻較大時(shí)，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(shì)與并聯(lián)電阻R有關(guān)。</p><p>　　2.指向特性。由于傳感器壓電晶片是一個(gè)圓形片，故可以把其表面劃分為許多小點(diǎn)，把每個(gè)點(diǎn)都看作為一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波——子波，這些子波雖沒(méi)有指向性，但離傳感器空間某一點(diǎn)的聲壓是這些

41、子波疊加的結(jié)果，都具有指向性，如圖2-6所示，當(dāng)℃時(shí)，聲壓最大，角度逐漸增大或減小時(shí)，聲壓減小。</p><p>　?。?）超聲波的回波檢測(cè)</p><p><b>　?、傩〔ǚ治隼碚?lt;/b></p><p>　　小波分析是一種信號(hào)的時(shí)間一尺度(時(shí)間一頻率) 分析方法，它具有高分辨率的特點(diǎn)，而且在時(shí)、頻兩域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，是一種窗

42、口大小固定不變但其形狀可改變、時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)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(shí)間分辨率,在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率。因此，可以利用小波分析法對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行分析、去噪，獲得更加平滑、有效的回波包絡(luò)曲線，進(jìn)而可以利用峰值檢測(cè)法準(zhǔn)確計(jì)算出回波前沿的到達(dá)時(shí)刻。我們?cè)谶@里采用Morlet復(fù)小波。因?yàn)楫?dāng)其形狀控制參數(shù)取較小值時(shí)。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

43、波波形。根據(jù)小波分析的最大匹配原則，當(dāng)子波與所分析的號(hào)在幾何形狀上越相似時(shí)，利用該子波提取到的信號(hào)特征就越準(zhǔn)確。Morlet復(fù)小波函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: （1）</p><p>　　式中j = - 1，β為形狀控制參數(shù)，當(dāng)取β= 1時(shí)，其實(shí)部、虛部及模如圖2-7 所示。</p><p>　　從圖2-7可以看出,復(fù)小波函數(shù)的模可完全平滑地包絡(luò)其實(shí)部和虛部。

44、 因此，利用復(fù)小波函數(shù)的模便可很容易獲得回波信號(hào)的小波包絡(luò)分析?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)小波包絡(luò)運(yùn)算處理后,可以幫助剔除環(huán)境噪聲信號(hào),獲得更平滑、理想的回波包絡(luò)曲線。利用包絡(luò)峰值檢測(cè)原理對(duì)小波包絡(luò)后的回波信號(hào)分析處理,從而準(zhǔn)確計(jì)算回波前沿的到達(dá)時(shí)刻。</p><p>　?、诨夭ㄐ盘?hào)的包絡(luò)峰值檢測(cè)</p><p>　　根據(jù)小波分析理論提出一種新的確定回波前沿的計(jì)算方法，即回波信號(hào)的包絡(luò)峰值檢測(cè)法。通過(guò)示波

45、器對(duì)回波波形進(jìn)行觀察,可以發(fā)現(xiàn)對(duì)同一探測(cè)物,不同傳播距離的回波包絡(luò)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(shí)的不同類型探測(cè)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(rèn)為超聲回波幅值包絡(luò)線的形狀基本不隨回波信號(hào)的大小而變化。 即回波信號(hào)包絡(luò)峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)刻b與回波前沿到達(dá)時(shí)刻a間的時(shí)間差( b- a) 不隨探測(cè)物遠(yuǎn)近的變化而變化。而時(shí)間差( b- a)也容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出來(lái)。 因此，可將接收回波信

46、號(hào)的包絡(luò)峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻b作為停止記數(shù)的時(shí)刻,用回波包絡(luò)峰值所對(duì)應(yīng)時(shí)刻與回波前沿到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差( b- a) 就可消除由于時(shí)間檢出點(diǎn)變化所引起的測(cè)量誤差。 </p><p>　　回波信號(hào)在進(jìn)行線性包絡(luò)檢波之后，在分別通過(guò)微分電路、零點(diǎn)交叉檢測(cè)，最后進(jìn)入ARM外部中斷0的入口，從而完成傳播聲時(shí)的準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。因?yàn)椴捎冒j(luò)峰值時(shí)間點(diǎn)的檢測(cè)方法與信號(hào)振幅無(wú)關(guān), 故具有優(yōu)良的傳輸時(shí)間檢出特性。包絡(luò)峰值檢出原理及波形如圖2-

47、8所示。包絡(luò)峰值檢測(cè)也可以消除虛假回波的干擾，使達(dá)到閥值的虛假回波可以被峰值檢測(cè)濾掉。因?yàn)槌暡ń邮栈夭ǖ姆惦S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(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)的時(shí)刻，AGC 電壓開(kāi)始隨時(shí)間增加而增加,在檢測(cè)到回波脈沖后清零。零交叉點(diǎn)檢測(cè)可以保證回波到達(dá)時(shí)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(hào)，使尖銳的干擾信號(hào)被鑒寬電路擋住而不能到達(dá)電平比較電路

48、。 因此，采用包絡(luò)峰值檢測(cè)可以保證回波前沿的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)刻。</p><p>　　接收器等待發(fā)射脈沖第一個(gè)回波的同時(shí)，通知定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0在微處理器的外部中斷接收到回波到來(lái)信號(hào)，T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。ARM一旦識(shí)別到的第一個(gè)回波到達(dá)時(shí),便發(fā)生中斷，終止內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),并對(duì)計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序處理。ARM通過(guò)內(nèi)部設(shè)定程序的運(yùn)算，可以算出超聲波傳感器到當(dāng)前的障礙物的距離，并將測(cè)得的距離實(shí)時(shí)地在液晶顯示模塊上顯示。&l

49、t;/p><p>　　第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1智能測(cè)量模塊總體設(shè)計(jì)</p><p>　　利用第二章講述的測(cè)距原理，作者設(shè)計(jì)了超聲波測(cè)距系統(tǒng)，它的作用是檢測(cè)當(dāng)前障礙物的距離，并將測(cè)得的結(jié)果實(shí)時(shí)地在液晶上顯示出來(lái)，并可將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)值通過(guò)RS232/485網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)控制器。</p><p>　　由圖可看出該系統(tǒng)共有5

50、個(gè)模塊組成：超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、溫度補(bǔ)償模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊。對(duì)于具體電路模塊的介紹見(jiàn)以下章節(jié)。</p><p>　　3.1.1超聲傳感器的選擇</p><p>　　超聲檢測(cè)精度取決于檢測(cè)方法、儀器和超聲換能器性能。目前在低超聲頻段(20~100kHz)，喇叭輻射面的面積比棒狀換能器大，所以輻射面的聲強(qiáng)較低，與其粘結(jié)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

51、器，這種換能器尤其在較高頻段{40kHz以上)，其優(yōu)點(diǎn)更為突出。因?yàn)樗梢韵魅鯔M向振動(dòng)所帶來(lái)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(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，比如其與電路的阻抗匹配問(wèn)題，如果電路的輸入阻抗與換能器的阻抗不一致，就會(huì)引起駐波，使波形模糊。</p><p>　　3.1.2超聲信號(hào)的處理</p><p>　　系統(tǒng)的性能受背景噪聲的限制，從抗干擾的角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)充分利用信號(hào)場(chǎng)與

52、干擾場(chǎng)在時(shí)--空統(tǒng)計(jì)特性上的差異，對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行處理，以便最大限度地獲得增益。 </p><p>　　1．信號(hào)的放大和噪聲的抑制。由于從接收換能器傳來(lái)的信號(hào)很微弱，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是首先必須考慮的。通常使用低噪聲晶體多級(jí)調(diào)諧放大器完成此項(xiàng)任務(wù)[11]。在檢測(cè)過(guò)程中，由于工作頻帶窄，故應(yīng)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(hào)頻率。這樣環(huán)境噪

53、聲中的絕大部份能量就被阻擋在通帶之外了，但對(duì)通帶內(nèi)的噪音抑制則無(wú)能為力?？梢酝ㄟ^(guò)增加發(fā)射功率和提高接受基陣的方向性來(lái)提高信噪比，使這個(gè)問(wèn)題得到改善。</p><p>　　2．混響及其抑制。通常較簡(jiǎn)單的抑制混響方法是使用一定時(shí)間規(guī)律(例如指數(shù)規(guī)律)來(lái)控制接收機(jī)增益的時(shí)間，增益控制界(TVG)對(duì)出現(xiàn)在接收機(jī)輸入端的信號(hào)和混響及噪聲進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮。要使放大器增益隨時(shí)間變化的規(guī)律與混響隨時(shí)間衰減的規(guī)律嚴(yán)格相反是很困難的，補(bǔ)

54、償?shù)姆椒ㄊ窃黾右粋€(gè)自動(dòng)增益控制器(AGC) [12]。</p><p>　　3．回波信號(hào)的處理?；夭ㄐ盘?hào)的包絡(luò)通常是不規(guī)則的，不便對(duì)它進(jìn)行數(shù)字處理，所以對(duì)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。</p><p>　　為了進(jìn)一步濾除噪聲及混響的影響，可設(shè)置一門(mén)限檢測(cè)閾值，該門(mén)限電平一般大于噪聲的均方根值。當(dāng)信號(hào)超過(guò)閾值時(shí)判斷為有目標(biāo)回波，若閾值過(guò)高

55、，只有強(qiáng)信號(hào)才能被檢出，這樣檢出概率就降低；若閾值過(guò)低，信號(hào)超過(guò)閾值的機(jī)會(huì)多了，但同時(shí)噪聲超過(guò)閾值的機(jī)會(huì)也多，則檢出的有用信號(hào)夾雜的噪聲就會(huì)增多。</p><p>　　4．對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的進(jìn)一步處理。進(jìn)行數(shù)字濾波和計(jì)算，求從發(fā)射信號(hào)開(kāi)始到收到目標(biāo)回波為止的深度(距離)歷經(jīng)時(shí)間值，并將它轉(zhuǎn)換成深度(距離)值，然后將此值顯示并打印。可采用微處理器。</p><p>　　本系統(tǒng)中，由ARM產(chǎn)生的

56、波形通過(guò)隔離放大后驅(qū)動(dòng)超聲換能器的發(fā)送端，換能器的接收端接收的信號(hào)比較弱，另外由于換能器本身的特性和聲程中隨機(jī)干擾、傳播介質(zhì)的非均勻性等造成的信號(hào)時(shí)延抖動(dòng)是隨機(jī)的，包含很多的噪聲信號(hào)。又由于超聲波的傳播介質(zhì)中存在很多不確定的因素，難以抑制，這樣勢(shì)必影響檢測(cè)精度。對(duì)超聲信號(hào)的模擬處理首先我們對(duì)信號(hào)的輸出端進(jìn)行隔離，防止回波產(chǎn)生，在混波信號(hào)中選取其中有用信號(hào)，濾除無(wú)用的噪聲信號(hào)，防止駐波干擾。在簡(jiǎn)單的模擬化處理后，從軟件上對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的

57、處理。</p><p>　　本系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)處理是在ARM中用程序來(lái)實(shí)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(gè)采樣信號(hào)的平均值作為一個(gè)信號(hào)值，這樣就能將信號(hào)中的瞬時(shí)干擾噪聲減小。選用多少采樣信號(hào)求其平均值，是根據(jù)信號(hào)頻率及噪聲的特征來(lái)確定的。同時(shí)也應(yīng)用程序判斷濾波法，從程序的角度判斷有用信號(hào)，將無(wú)用信號(hào)濾除，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)以上的信號(hào)處理方法能有效的保證超聲信號(hào)的重現(xiàn)，失真程度也很小。&

58、lt;/p><p>　　3.2系統(tǒng)模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　智能測(cè)量模塊電路部分主要包括超聲信號(hào)檢測(cè)電路、LCD液晶顯示、RS232通信接口等部分。主機(jī)控制器在液晶顯示屏中將具體數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，液晶顯示采用字符型液晶顯示模塊。并將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給上位機(jī)，同時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)。主機(jī)控制器總結(jié)構(gòu)框圖如圖3－1所示。</p><p>　　3.3系統(tǒng)通信總體設(shè)計(jì)</

59、p><p>　　3.3.1串行通信基本概念</p><p>　?。?）數(shù)據(jù)通信的基本概念</p><p>　　系統(tǒng)在實(shí)際工作中，像上位機(jī)的CPU與外部設(shè)備之間常常要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換一樣，為了通過(guò)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，將系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)，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(shí)驗(yàn)證明這種通信方式簡(jiǎn)單易行，符合本

60、系統(tǒng)要求。</p><p><b>　　（2）串行通信</b></p><p>　　在串行通信過(guò)程中二進(jìn)制數(shù)字系列以數(shù)字信號(hào)波形的形式出現(xiàn)。不論接收還是發(fā)送，都必須有時(shí)鐘信號(hào)對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。接收/發(fā)送時(shí)鐘就是用來(lái)控制通信設(shè)備接收/發(fā)送字符數(shù)據(jù)速度的，該時(shí)鐘信號(hào)通常由處理器內(nèi)部的時(shí)鐘電路產(chǎn)生。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，接收器在接收時(shí)鐘的上升沿對(duì)接收數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行數(shù)據(jù)位檢測(cè);在

61、發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送器在發(fā)送時(shí)鐘的下降沿將移位寄存器的數(shù)據(jù)串行移位輸出。如圖3－2所示:</p><p>　　3.3.2串行通信過(guò)程</p><p>　　兩個(gè)通信設(shè)備在串行線路上實(shí)現(xiàn)成功的通信必須解決兩個(gè)問(wèn)題:一是串－并轉(zhuǎn)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(shè)備同步，即同步發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的工作節(jié)拍相同，以確保發(fā)送的數(shù)據(jù)在接收端被正確讀出。</p>

62、<p>　　3.4系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)通信軟件由下位機(jī)、主機(jī)控制器通信軟件和上位機(jī)控制軟件三部分組成。</p><p>　　下位機(jī)通信軟件功能主要是接收主機(jī)控制器發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)，針對(duì)各下位機(jī)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，再根據(jù)主機(jī)控制器發(fā)來(lái)的控制信號(hào)做出相應(yīng)的反應(yīng)，隨后發(fā)送主機(jī)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(biāo)志位的方法實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)平時(shí)對(duì)各

63、監(jiān)控點(diǎn)的進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并定時(shí)存貯，當(dāng)有串行中斷時(shí)執(zhí)行串行中斷服務(wù)程序，判別是否為本機(jī)的地址信息，地址信息與本機(jī)地址相符時(shí)，轉(zhuǎn)為接收控制命令，并執(zhí)行相應(yīng)的操作；地址信息與本站地址不符時(shí)則退出中斷。下位機(jī)通信流程圖如圖3-4所示。 </p><p>　　主機(jī)控制器的通信軟件實(shí)現(xiàn)功能主要包括呼叫各從機(jī)，并向各機(jī)發(fā)送查詢控制命令。其工作過(guò)程為控制器發(fā)送需呼

64、叫的從機(jī)的地址，然后等待接收從機(jī)的應(yīng)答信號(hào)，若應(yīng)答信號(hào)正確即發(fā)送控制命令，若應(yīng)答信號(hào)不正確則重新發(fā)送需呼叫的地址，并等待接收應(yīng)答信號(hào)，接收到應(yīng)答信號(hào)后接收有個(gè)下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)并在LCD液晶顯示屏中顯示出來(lái)。本系統(tǒng)的上位機(jī)控制軟件由Delphi7編寫(xiě)，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(shè)置等功能。上位機(jī)通信軟件界面如圖3-5。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)

65、計(jì)</p><p><b>　　4.1關(guān)鍵器件選擇</b></p><p>　　4.1.1嵌入式ARM微處理器LPC2131</p><p>　?。?）嵌入式ARM微處理器LPC2131概述</p><p>　　LPC2131是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32 位ARM7TDMI-STM CPU[15]，并帶有32

66、kB、64kB 和512kB 嵌入的高速Flash 存儲(chǔ)器[15]。128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行[17]。多個(gè)32 位定時(shí)器、1個(gè)或2 個(gè)10 位8 路的ADC、10 位DAC、PWM 通道、47 個(gè)GPIO 以及多達(dá)9 個(gè)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(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)[18] </p><p>　

67、　（2）嵌入式ARM微處理器LPC2131主要特性[19]</p><p>　　2 個(gè)32 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（帶4 路捕獲和4 路比較通道）、PWM 單元（6 路輸出）和看門(mén)狗。</p><p>　　多個(gè)串行接口，包括2 個(gè)16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2 個(gè)高速I(mǎi)2C 接口（400 kbit/s）、SPITM 和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP。</p><p

68、>　　片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30 MHz。</p><p>　　單電源，具有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測(cè)（BOD）電路：</p><p>　　高速：RISC型8051內(nèi)核，速度比普通8051快12倍。</p><p>　　4.1.2液晶顯示器</p><p>　　液晶顯示器(LCD)憑借其功耗低、圖形美觀等多種優(yōu)勢(shì)，在儀器儀表產(chǎn)品中得到

69、越來(lái)越多的應(yīng)用，F(xiàn)YD12864-0402B是一種多功能的LCD驅(qū)動(dòng)器,可以用軟件的方式設(shè)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6根線的接口。 </p><p>　　4.1.3 超聲波傳感器</p><p>　　本測(cè)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

70、超聲波傳感器的型號(hào)說(shuō)明：</p><p>　　4.2超聲波檢測(cè)模塊</p><p>　　超聲波檢測(cè)模塊主要包括發(fā)射超聲波產(chǎn)生、超聲傳感器驅(qū)動(dòng)部分、超聲回波的接收放大、濾波、信號(hào)比較電路。根據(jù)所選超聲波傳感器的類型及個(gè)數(shù)，超聲波檢測(cè)電路可分為：收發(fā)分體回路和收發(fā)一體回路。下面對(duì)兩種方案進(jìn)行介紹。</p><p>　　4.2.1超聲波收發(fā)分體回路設(shè)計(jì)</p>

71、<p>　　該方案采用一對(duì)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、IC4049組成。電路采用555集成芯片構(gòu)成一個(gè)頻率為40kHz的多諧振蕩器，再通過(guò)IC4049集成電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器。接收電路主要由超聲波傳感器（接收），集成運(yùn)放LM5532，比較器LM393，集成電路IC4011，IC555以及三極管9012組成。IC555構(gòu)成一個(gè)延時(shí)回路，主要是用來(lái)設(shè)置超聲波檢測(cè)的盲區(qū)[22

72、]。集成運(yùn)放LM5532構(gòu)成一級(jí)、二級(jí)放大電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波回波信號(hào)的增幅，LM393則是運(yùn)用電壓比較的原理來(lái)設(shè)置檢測(cè)回波的閾值，從而識(shí)別回波信號(hào)的到達(dá)。四個(gè)2輸入的與非門(mén)4011構(gòu)成一個(gè)RS觸發(fā)器，保持超聲波的檢出信號(hào)為一脈寬可變的正脈沖，脈沖寬度就是超聲波渡越時(shí)間，三極管9012用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢出正脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，然后送給ARM的中斷口。ARM通過(guò)中斷啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)正脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再進(jìn)行處理得到脈沖的寬度，即超聲波的渡越時(shí)間[23]

73、。超聲波的整機(jī)、發(fā)送及接收電路如圖4-2和圖4-3、圖4-4所示。</p><p>　　4.2.2超聲波收發(fā)一體回路設(shè)計(jì)</p><p>　　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(yùn)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(gòu)成的共射極放大電路放大，再經(jīng)過(guò)IC4049

74、驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器。收到的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)LM5532一、二級(jí)放大，在經(jīng)過(guò)比較器LM393和IC4011構(gòu)成的RS觸發(fā)器檢出一脈寬可變的正脈沖信號(hào)，脈寬就是超聲波的渡越時(shí)間，檢出的正脈沖被送到ARM的中斷口，ARM通過(guò)中斷啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器對(duì)正脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，再進(jìn)行處理得到脈沖的寬度，即超聲波的渡越時(shí)間。超聲波收發(fā)一體電路如圖4-5所示。</p><p>　　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)

75、生，一體回路的40kHz超聲波ARM[25]通過(guò)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?yàn)楸鞠到y(tǒng)的可編程模塊較多，加上ARM的容量有限，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要盡量減少系統(tǒng)的程序，所以本系統(tǒng)采用收發(fā)分體回路。</p><p><b>　　4.3液晶模塊</b></p><p>　　4.3.1 FYD12864-0402B液晶模塊介紹</p><p

76、>　?。?）FYD12864-0402B引腳說(shuō)明</p><p>　　（2）時(shí)序圖與指令表</p><p>　　1. 串口讀寫(xiě)時(shí)序圖</p><p>　　2. 串口數(shù)據(jù)線模式數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程圖</p><p>　　4.3.2 FYD12864-0402B液晶模塊的應(yīng)用</p><p>　?。?）與嵌入式ARM微處理器

77、接口</p><p>　　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(guò)P0.13腳和FYD12864液晶模塊進(jìn)行通信，時(shí)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。</p><p><b>　　4.4串口通信模塊</b></p><p>

78、;　　4.4.1 串行通信協(xié)議</p><p>　　通信協(xié)議是對(duì)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(lái)。只有雙方都正確地識(shí)別并遵守這些規(guī)定才能順利地進(jìn)行通信。</p><p>

79、;　　4.4.2 串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)接口</p><p>　　由于系統(tǒng)是3.3V系統(tǒng)，所以要使用SP3232E進(jìn)行RS-232電平轉(zhuǎn)換。JP6為UART0口連接跳線，當(dāng)使用串口功能時(shí)，將這些跳線短接到相應(yīng)的功能端，JP6應(yīng)短接TxD0和RxD0，在本系統(tǒng)中SP3232E芯片與ARM接口如圖4-9所示。</p><p><b>　　4.5溫度補(bǔ)償模塊</b></p&

80、gt;<p>　　由于超聲波的聲速受環(huán)境溫度的影響較大，所以在應(yīng)用超聲波進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)超聲波的速度進(jìn)行溫度的補(bǔ)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DS18B20采集環(huán)境溫度送給ARM，由ARM通過(guò)軟件編程對(duì)超聲波的速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。</p><p>　　4.5.1溫度傳感器DS18B20原理</p><p>　　DS18B20為1-Wire總線的數(shù)

81、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(duì)于華氏溫度應(yīng)用場(chǎng)合，可以查表轉(zhuǎn)換)的測(cè)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(shè)置為9,10,11或12位。8位CRC發(fā)生器用于暫存器讀寫(xiě)階段提供循環(huán)冗余檢驗(yàn)使用。</p><p>　　4.5.2 DS18B20與ARM接口電路

82、</p><p>　　DS18B20與ARM微處理器的硬件接口比較簡(jiǎn)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(dāng)設(shè)備使用外部電源供電的時(shí)候，使用ARM的一個(gè)通用接口就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。</p><p>　　DS18B20也可以采用寄生電源供電，這在遠(yuǎn)程度測(cè)量和測(cè)量空間受限制的情況下特別有價(jià)值。需要注意的是，DS18B20在進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或者將暫存寄存器

83、里面的數(shù)據(jù)復(fù)制到EEPROM[27]內(nèi)的時(shí)候，所需要的電流會(huì)達(dá)到1.5mA。這個(gè)電流將通過(guò)上拉電阻導(dǎo)致不期望的壓降，而且超出了Cpp即所能提供的電流，此時(shí)可用如圖4-11所示的一個(gè)三極管來(lái)提供電流。在本系統(tǒng)中DS18B20與ARM的接口電路如圖4-13所示。</p><p><b>　　4.6電源模塊</b></p><p>　　系統(tǒng)內(nèi)部配置了+12V和+5V的穩(wěn)壓源

84、，外部配置了12V～24V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。</p><p>　　第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)</p><p>　　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(yǔ)言進(jìn)行編程。本章主要介紹用系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)軟件主要有兩部分：上位機(jī)（PC）控制軟件

85、和下位機(jī)（嵌入式ARM微處理器）控制軟件。下位機(jī)軟件包括40kHz超聲信號(hào)的產(chǎn)生、回波檢測(cè)[29]、數(shù)據(jù)處理程序、溫度檢測(cè)、液晶、SP3232E芯片、存儲(chǔ)器芯片的驅(qū)動(dòng)程序。上位機(jī)軟件主要是串口通信軟件包括串口設(shè)置，發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)窗口等，可以在線設(shè)置各種通信速率、奇偶校驗(yàn)、通信端口而無(wú)需重新啟動(dòng)程序，可以設(shè)置定時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)以及時(shí)間間隔；可以自動(dòng)顯示接收到的數(shù)據(jù)，并能在字符串、十進(jìn)制和十六進(jìn)制之間進(jìn)行切換[30]；設(shè)置串口連線DTR、R

86、TS線和顯示CD、CTS、DSR線的狀態(tài)。軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，系統(tǒng)的最終實(shí)現(xiàn)必須要依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)下位機(jī)軟件功能框圖如圖5-1所示，系統(tǒng)上位機(jī)軟件流程框圖如圖5-2所示：</p><p>　　5.2下位機(jī)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)的下位機(jī)主要負(fù)責(zé)環(huán)境溫度的采集及超聲測(cè)量信息的采集、處理、保存并通過(guò)串口將最終結(jié)果傳送給上位機(jī)。系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果由ARM控制在液晶上顯示。系統(tǒng)主程序流

87、程圖如圖5-3所示。下面對(duì)各個(gè)電路模塊的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。</p><p>　?。?）超聲波（40kHz）的產(chǎn)生</p><p>　　40kHz超聲波的產(chǎn)生運(yùn)用了ARM的內(nèi)部時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)軟件將ARM的某個(gè)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(shí)需要發(fā)送6-10個(gè)波。具體檢測(cè)程序見(jiàn)附錄</p><p>

88、;　?。?）超聲波渡越時(shí)間的檢測(cè)</p><p>　　系統(tǒng)收到的回波信號(hào)被放大、濾波、比較處理，最終送到ARM中斷口的是一脈寬可調(diào)的正脈沖，脈寬就是超聲波的渡越時(shí)間。具體程序見(jiàn)附錄。</p><p>　?。?）FYD12864-0402B液晶模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　FYD12864-0402B液晶模塊程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖5-4，具體程序見(jiàn)附錄。</

89、p><p>　?。?）溫度傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用 DALLAS半導(dǎo)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(xiě)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)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(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀

90、時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫(xiě)時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫(xiě)命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)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(shí)序圖如下圖所示。</p><p>　　5.3上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)上位機(jī)程序是在Delphi的開(kāi)發(fā)環(huán)境中利用了微軟的Visual B

91、asic中提供的一個(gè)串口控件-Microsoft Communication Control（簡(jiǎn)稱MSComm）控件進(jìn)行串口編程的。</p><p>　　5.3.1 MSComm控件處理通訊方式</p><p><b>　?。?）事件驅(qū)動(dòng)方式</b></p><p>　　事件驅(qū)動(dòng)通訊是處理串行端口交互作用的一種非常有效的方法?？梢岳?MSCo

92、mm 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(cuò)誤。在編程過(guò)程中，就可以在OnComm事件處理函數(shù)中加入自己的處理代碼。</p><p><b>　?。?）查詢方式 </b></p><p>　　查詢方式實(shí)質(zhì)上還是事件驅(qū)動(dòng)，但在有些情況下，這種方式顯得更為便捷。在程序的每個(gè)關(guān)鍵功能之后，可以通過(guò)檢查 CommEvent 屬

93、性的值來(lái)查詢事件和錯(cuò)誤。如果應(yīng)用程序較小，并且是自保持的，這種方法可能是更可取的。</p><p>　　5.3.2 MSComm控件屬性</p><p>　　MSComm控件有很多重要的屬性，但首先必須熟悉幾個(gè)屬性[31]：CommPort設(shè)置并返回通信端口號(hào)：Settings以字符串的形式設(shè)置并返回?cái)?shù)據(jù)傳輸速率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位；PortOpen設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，也可以打

94、開(kāi)和關(guān)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(xiě)一個(gè)字符串。MSComm控件常用的幾個(gè)屬性：CommPort屬性、Settings屬性、PortOpen屬性、Input屬性、Output屬性。</p><p>　　5.3.3 MSComm控件的使用</p><p>　　MSComm控件通過(guò)串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能，使用非常方便。下面對(duì)

95、Delphi中使用MSComm控件進(jìn)行通信編程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　（1）初始化并打開(kāi)串口</p><p>　　設(shè)置MSComm控件的屬性可以在程序設(shè)計(jì)期時(shí)直接指定，也可以在程序運(yùn)行期間設(shè)置。除了使用對(duì)象觀察器設(shè)置MSComm控件的屬性外，Delphi還提供了一個(gè)屬性對(duì)話框，雙擊窗體中的MSComm控件即可彈出，可以通信端口號(hào)、通信協(xié)議 、傳輸速率參數(shù)、數(shù)據(jù)接收格式、通信端口

96、開(kāi)/關(guān)進(jìn)行設(shè)定。</p><p><b>　?。?）捕捉串口事件</b></p><p>　　MSComm控件可以采用查詢或事件驅(qū)動(dòng)的方法從端口獲取數(shù)據(jù)。由于控件的OnComm事件通過(guò)CommEvent屬性能夠反映串口當(dāng)前發(fā)生的錯(cuò)誤和事件，所以操作串口最簡(jiǎn)單的方法就是適當(dāng)?shù)卦O(shè)置控件Rtreshold屬性為一個(gè)正數(shù)，然后編寫(xiě)其OnComm事件處理代碼。</p>

97、;<p><b>　?。?）串口的讀寫(xiě)</b></p><p>　　串口的讀寫(xiě)分為兩種情況：字符串的讀寫(xiě)和二進(jìn)制數(shù)的讀寫(xiě)。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(zhuǎn)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(jìn)制形式發(fā)送數(shù)據(jù)，如果一方以字符串形式讀寫(xiě)，那么通

98、信就會(huì)失敗。</p><p><b>　?。?）關(guān)閉串口</b></p><p>　　在使用完MSComm通信對(duì)象后，需要將通信端口關(guān)閉。如果關(guān)閉窗體，占用的端口也會(huì)被關(guān)閉。</p><p>　　5.3.4系統(tǒng)通信軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　在安裝MSComm控件后，選擇“File|New|Application”菜單

99、項(xiàng)，保存項(xiàng)目和單元文件。然后在主窗口中添加各類組件，建立系統(tǒng)通信軟件界面如圖5-8，具體實(shí)現(xiàn)程序見(jiàn)附錄。</p><p><b>　　第六章 系統(tǒng)測(cè)試</b></p><p><b>　　6.1系統(tǒng)測(cè)試</b></p><p>　　測(cè)試主要儀器：12V～24V穩(wěn)壓電源一臺(tái)</p><p>　　Te

100、ktronix TDS 2012 100MHz 1GS/s 示波器一臺(tái)</p><p><b>　　萬(wàn)用表一臺(tái)</b></p><p>　　PC機(jī)一臺(tái)（有串口）</p><p><b>　　測(cè)試結(jié)果如下：</b></p><p>　　6.1.1發(fā)射回路的測(cè)試</p><p&g

101、t;　　用示波器觀測(cè)超聲波發(fā)射電路輸出的驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器工作聲波波形，峰-峰值為5V，輸出波形為矩形波，頻率為40kHz，波形基本不失真，并且相當(dāng)穩(wěn)</p><p>　　定。波形如下圖所示：</p><p>　　圖5-1 555電路產(chǎn)生高低電平為1：1000 圖5-2 555電路產(chǎn)生的經(jīng)調(diào)制后的40KHZ方波信號(hào) 的矩形

102、 </p><p>　　圖5-3 4049驅(qū)動(dòng)后到達(dá)超聲波發(fā)射傳感器的40KHZ方波信號(hào)</p><p>　　6.1.2接收回路的測(cè)試&

103、lt;/p><p>　　接收回路接收到回波后，經(jīng)過(guò)放大比較，檢出的有用信號(hào)為一個(gè)脈寬可變的正脈沖，脈寬就是超聲波的渡越時(shí)間，并將該脈沖送給ARM的中斷口，由ARM通過(guò)中斷檢測(cè)出脈沖的寬度，用示波器觀測(cè)產(chǎn)生脈寬可變的正脈沖的波形過(guò)程如下圖。波形很穩(wěn)定，改變超聲波傳感器與障礙物的距離時(shí)，脈沖寬度也隨之改變。</p><p><b>　　6.1系統(tǒng)操作</b></p>

104、;<p>　　啟動(dòng)儀器，液晶顯示器上將顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度，如圖5-8；再經(jīng)過(guò)短暫的停頓后，系統(tǒng)將進(jìn)入檢測(cè)距離狀態(tài)，如圖5-9，如選擇RS232輸出設(shè)置，系統(tǒng)將會(huì)把檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)，如圖5-10。 </p><p><b>　　6.2測(cè)試結(jié)果分析</b></p><p>　　通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)精度達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，誤差很難避免，但通過(guò)分析誤差的

105、來(lái)源，改變?cè)O(shè)計(jì)和測(cè)試方法，可以把降低系統(tǒng)的誤差。從而使系統(tǒng)更加完美。如對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，避免局部溫度對(duì)系統(tǒng)造成誤差。</p><p><b>　　第七章 系統(tǒng)展望</b></p><p>　　在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，嚴(yán)格遵循了系統(tǒng)的需求分析、總體設(shè)計(jì)、軟硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試等開(kāi)發(fā)步驟，分階段的完成了各設(shè)計(jì)任務(wù)。但在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)

106、存在一些問(wèn)題有待進(jìn)一步探討和改進(jìn)，主要包括以下幾個(gè)方面：</p><p>　　(1) 檢測(cè)精度方面。雖然課題采用ARM來(lái)提高系統(tǒng)檢測(cè)的精度，并且采用溫度補(bǔ)償和數(shù)字濾波的方法減少了部分檢測(cè)誤差，但是系統(tǒng)的測(cè)量精度仍然與理論值有所差距。通過(guò)提高采樣頻率，可進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，但是還是要綜合考慮硬件的承受能力。</p><p>　　(2) 性能穩(wěn)定性方面。課題由于時(shí)間倉(cāng)促，在電路分析設(shè)計(jì)上雖盡量

107、全面考慮，但是在一些特殊的測(cè)量環(huán)境（如濕度比較大、風(fēng)力比較大的環(huán)境），系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)并不穩(wěn)定。并且在換能器驅(qū)動(dòng)方面，發(fā)射功率還不是很理想，接收電路還需改進(jìn)。</p><p>　　(3) 嵌入式監(jiān)控方面。由于本課題是作者第一次運(yùn)用到嵌入式設(shè)計(jì)，許多運(yùn)用不熟悉，在設(shè)計(jì)時(shí)遇到很多困難。雖然最終能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，但會(huì)有數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象發(fā)生。這方面設(shè)計(jì)需要進(jìn)一部修改。</p><p>　　(4) 系統(tǒng)全

108、面完善。本課題主要還是著重在概念的提出，初步的實(shí)驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然比較成功，但如果要真正應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)，還有很多可待改進(jìn)之處。比如可以在系統(tǒng)中加入控制報(bào)警模塊，用戶可以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)測(cè)距安全區(qū)間，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量到的位移信息不在該區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶。</p><p>　　本課題利用波分析法對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，大大提高了測(cè)距精度，并且將嵌入式ARM微處理器引入其中，推動(dòng)著超聲測(cè)距系統(tǒng)向著控制精度

109、更高、更加智能化的方向發(fā)展。</p><p>　　超聲波檢測(cè)以其非接觸性優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中，得到了廣泛的應(yīng)用。本智能測(cè)量模塊可以用來(lái)測(cè)量料位、物位、液位等，可以做成環(huán)保局、水利局水位檢測(cè)、采集、控制系統(tǒng)。可以把本系統(tǒng)安裝在各個(gè)水位采集點(diǎn)，系統(tǒng)將各個(gè)采集點(diǎn)的水位實(shí)時(shí)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)可以通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)采集點(diǎn)的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，本系統(tǒng)還可以加上無(wú)線發(fā)送模塊，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。</p>

110、<p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)大學(xué)四年學(xué)習(xí)的一個(gè)系統(tǒng)考察，是理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐相結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，也是我們對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的一個(gè)系統(tǒng)總結(jié)。由于本智能測(cè)量模塊的核心控制器是ARM，在做課題之前，我又對(duì)ARM機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，完成了ARM最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試以及ARM外圍電路的設(shè)計(jì)和編程（如鍵盤(pán)、液晶顯示、蜂鳴器等），通過(guò)學(xué)習(xí)我對(duì)ARM的相關(guān)技術(shù)有