超声波测距与无线传输系统_第三组

超声波测距与无线传输系统

摘 要：

本系统以MSP430F449为主控芯片，控制超声波的发送，通过超声波在空气中传播的时间计算障碍物离发送源的距离。发射脉冲由NE555产生，接收处理电路使用红外/超声波专用芯片CX20106A，利用舵机进行扫描测距，通过nRF905实现无线传输。系统加入了DS18B20对现场温度进行监控，以进行温度补偿，提高精度。

关键字： MSP430 超声波声场 无线传输 温度补偿

目 录

一、方案的设计和论证 ................................................................................................................... 1

1、控制器的选择 ..................................................................................................................... 1

2、40KHz方波产生 .................................................................................................................. 1

3、距离测量 ............................................................................................................................. 1

4、扫描方案 ............................................................................................................................. 2

二、系统总体设计方案及实现方框图 ........................................................................................... 2

三、理论分析与计算 ....................................................................................................................... 3

1、渡越时间测量法原理 ......................................................................................................... 3

2、温度补偿 ............................................................................................................................. 3

3、盲区及发、收时序 ............................................................................................................. 3

四、主要功能电路的设计 ............................................................................................................... 4

1、超声波发射部分 ................................................................................................................. 4

2、超声波接收电路 ................................................................................................................. 4

3、舵机的控制 ......................................................................................................................... 5

4、温度测量部分 ..................................................................................................................... 5

5、电源模块 ............................................................................................................................. 5

五、系统软件的设计 ....................................................................................................................... 6

1、软件的设计 ......................................................................................................................... 6

2、软件流程图 ..................................................................................................................... 6

六、测试数据与分析 ....................................................................................................................... 6

1、使用仪器及型号 ................................................................................................................. 6

2、测试方案 ............................................................................................................................. 6

3、测量数据 ............................................................................................................................. 7

4、数据分析 ............................................................................................................................. 7

七、总结分析与结论 ....................................................................................................................... 7

一、方案的设计和论证

整个系统的原理如下：利用压电效应，在超声波探头上加一定频率的脉冲波，引起超声波传感器的共振，并发送超声波，发射出去的超声波，一部分在空气中衰减了，一部分沿原路返回，并引起接收头的震动，在发射时刻的同时开始计时，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，即：s 340t。其测距原理图如下： 1、

控

制

器

的

选

择 方案一：单片机方案，采用MSP430控制40KHz方波的发射，发射时间也由单片机测取，当按键输入扫描命令时，舵机开始旋转，超声波发射器开始发射一次超声波群，同时开始计时，当超声波接收器接受到经反射得到的回波时，单片机产生一次中断，中断中停止计时得到所需时间数据，计算得到障碍物的距离、角度，并由nRF905发送数据至另一单片机显示，然后再进行下一次测量。

方案二：单片机+FPGA方案；由FPGA产生超声波发射器所需的脉冲群和步进电机所需的驱动信号，以及记时工作；单片机控制装置的开始和结束以及每一次测量的起停。每次测量由FPGA计算处理、显示。

方案一系统结构清晰、规模较小、可以实现复杂控制，精度高，易于扩展，且MSP430中有足够的定时器数目，功耗小。方案二充分考虑了单片机控制功能力强和FPGA高速、易操作的特点，但由于系统只能通过电池供电，方案二在硬件上不好实现，故采用方案一。

2、40KHz方波产生

方案一：单片机产生，该方案既可以采用单片机定时器产生40KHz方波，又可以对单片机晶振分频得到40KHz方波，但是这两种方法都有一个共同的缺点：频率误差大。这样就可能导致超声波发射器达不到最大功率，使测量范围受到影响。

方案二：采用NE555产生40KHz方波，该方案产生的方波稳定，且可以通过单片机控制其输出，在后级加上非门可加大发射功率，从而间隔产生超声群。

综合考虑，使用方案二。

3、距离测量

方案一：相位检测法；通过比较发射波和反射波的相位，推算出时间t，进而得出距离。此法精度高，但检测的范围有限。且要做到精确的相位检测，硬件

电路相当复杂。

方案二：声波幅值检测法；检测回射波的幅值。在发射功率一定的情况下，回射波幅值随测量距离的增大而衰减，而回射波幅至的大小将直接影响测量的精度。此法易受反射波的影响，反射回波幅值的大小直接影响者测量的精度，在发射功率一定的情况下，随着测量距离的增大，反射波幅度衰减较大，不易测量。因此该方案只适合粗略测量，精度达不到题目中的要求。

方案三：频率检测法，发射电路发射超声波群并开始计时，接收回路使用锁频器，当接收到40KHz，锁相环会对该频率进行跟踪获取处理，并输出相应的电平跳变。但在实际中接收波中含有不可控的杂波，也有40KHz，使得电路的检测很不可靠，故此方案不可取。

方案四：度越时间检测法；检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即度越时间。度越时间与超声波在气体中传播速度相乘即得声波传播的距离。此法不用考虑反射信号的大小，只检测反射信号的有无，通过精确的定时，即可求出距离。适当的增大发射功率可测量较长的距离。

要做到一定精度的定时，可采用对较高频率脉冲计数的办法；对反射信号的检测只用检测其有无，不检测其大小，因此硬件电路将大大简化。另外通过实时1测温，得出当前温度，从而算出当前声速。利用L vt就可以得到相当准确的2

结果。

鉴于以上分析，我们选用方案四。

4、扫描方案

方案一：步进电机，将超声波探头固定在步进电机上，用步进电机带动其扫描，步进电机有比较精准的控制角度，但该方案在实际是须得每次测量时对系统进行校准，且人为校准误差较大。

方案二：使用舵机控制，该方案控制简单灵活，每一个脉冲便有一个方向角，且可以让其固定在90内转动，可操作性较好，且功耗较小。

综合考虑，使用方案二。

二、系统总体设计方案及实现方框图

整个系统由两单片机构成，使用nRF905实现两单片机间的通讯，其中一片单片机负责超声波的发送控制、时间计算和温度采集，另一片单片机负责显示、报警和键盘信号的发送，而两个单片机由不同的电源系统供电，系统的方框图如下所示：

三、理论分析与计算 1、渡越时间测量法原理

检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离式声波传输距离的一半：

1L vt 2

式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为渡越时间。由下式计算测量误差 L t t

式中， L为测距误差， 为声速， t为时间测量误差， 为声速误差。若要求测距误差小于0.01m，已知声速 ＝344m/s(20℃时)，忽略声速误差，那么测量时间的误差：

t L0.01 0.00003s 344 （6）

系统使用MSP430的脉冲计数的方法，间接测量时间，可以把声波的时间精度提高到所需的准确度，也就是把超声波往返时间转化为对计数脉冲个数N的测量，所以上式可写成：

L NS/2

式中，s为等效标尺，s vf，f为计数脉冲的频率，v为声速，所以 L Nv2f

在本系统中，计数脉冲的频率f 2MHz。

2、温度补偿

测距所用公式为：l ，其中l为障碍物至探头的距离，t为超声波从发射到接收所用的时间，v为声波在介质中传播的速度，遵循如下计算公式：

s，T为摄氏温度 当环境温度发生变化，v也会变化，若计算时不考虑温度的影响而采用固定的v值，则会引入误差，故系统加入DS18B20实时测量环境温度，对v的值进行补偿，从而减小误差。

3、盲区及发、收时序

由于电声换能器的电气阻尼振荡和机械阻尼振动共同作用下，产生余振阻尼衰减信号，在换能器由发射状态转入接收状态后，首先接收到的信号是这种余振信号（绕射）

，在此信号衰减到足够小的时间内，换能器接收到的回波信号与阻v

尼衰减信号叠加混淆，使电路鉴别不出真正的回波。在这段时间内收到的回波，系统应对其进行屏蔽，以免发生误判。这样就导致了盲区的产生。

工作时序示意图如右：

其中a脉冲为发送端的置位

脉冲，同时作为计时器的起始脉

冲；b脉冲为虚假脉冲(由绕射产

生，应避开)；a 、b的时间间隔

为盲区；c脉冲为接受端接收到的

有效回波脉冲，用于停止计时器

的计时。程序的主要任务就是检测a 、c

时间，再由数据处理、修正单元计算出实际距离。

四、主要功能电路的设计

1、超声波发射部分

经测定，所用的超声波探头在41.3KHz时震荡最强，即为其中心频率，故使用NE555产生该频率的的脉冲波，用MSP430控制RET端口，从而产生脉冲群。为了加大发射功率，系统采用非门，电路如下所示，方波信号经过一级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽式将方波信号加到超声波换能器两端以提高发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS14输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短自由震荡时间。

2、超声波接收电路

要将超声波探头微弱的信号完整的读进来，在前置电路里，要进行高的输入阻抗的设计，考虑到超声波探头的阻抗很高，所以这里前级选用电压跟随器，电压跟随所用的芯片为LF357,另接收头处采用了100k 的电阻进行并联，同时为了减小接收余震的影响，在接收端并联了0.15 F的电容。

传感器接收到的信号中，除了障碍物发射的回波外，总会有杂波和干扰脉冲等环境噪声。须得进行，滤处接收的后级采用了FET高输入阻抗的运放，系统采用红外/超声波专用接收芯片CX20106A，内含前置放大、限幅放大、宽频带滤波器、检波器、整形和滞后比较器。通过外围电路可调整其参数，从而很好的

对信号进行提取。

接收电路图如下所示：

3、舵机的控制

舵机只有一个控制角，控制方式为输入一个周期T 20ms，脉宽为12ms可

的脉冲进行比较，加入脉冲大于1.5ms时，当脉冲等于1.5ms，舵机停于中心位置，而舵机转动的角度和脉宽成比例，通过改变脉冲的宽度便可以灵活的控制舵机的转角。

4、温度测量部分

此部分我们采用MAXIM公司的0.5C精度的1 Wire多点数字温度传感器DS18B20，它是业界精度最高的固态数字温度计中的一种，在一10℃至++85℃的温度范围，3.0V5.5V的电源范围内， DS18B20的分辨率可由用户在EEPROM内设为9-12位，只需一条I/0口线，MCU便能与DS18B20的1-Wire接口通信，使用极为方便。我们设定其为12位工作方式。

5、电源模块

系统使用电池供电，由于有两片单片机，且是在无线收发的不同位置，则需要使用两块电池分别供电，所使用的电池为12.8V，经过7805稳压供给整个系统，在部分模块中须得使用3.3V供电，如舵机的电源，MSP430采集信号也需控制在

3.3V以内，故加入AMS1117 3.3V进行电平转换。

五、系统软件的设计

1、软件的设计

在软件的设计上，主要应注意的是两单片机程序的分配，有一个主从关系，主机通过键盘发送各类指令，通过nRF905将指令传送给从机，从机负责超声波的发射控制和时间测量。

2、软件流程图

六、测试数据与分析

1、使用仪器及型号

清华同方计算机： CPU+内存+操作系统

直流稳压稳流电源：型号YB1731A 3A 万用表：型号MS8265 数字存储示波器： 型号GOS-1062

数字信号源： 型号SG1040 其它设备：米尺

2、测试方案

测试场地需选择空旷场地，以免有额外的干扰，将显示模块的单片机和超声波处理模块分开，在测量范围内防止移动障碍物，根据显示记下障碍物的角度，

然后用米尺测量实际距离和角度。在超声波扫描过程中，测量前方不得有人，以免引入额外干扰。

3、测量数据

4、数据分析

实验过程中，引入测量误差的原因主要有:(1)测试场地中的干扰成分太多，导致在测试中引起误判；（2）超声波速度变化引起的误差，包括空气温度变化引起的声速变化、空气成分变化、超声波传播途中温度梯度等导致测温不准。在实验室环境下，有温度补偿，这种误差可以忽略； (3)衰减导致的误差，由于超声波在传播途中受空气热对流扰动、尘埃吸收的影响，回波幅度随传播距离成指数规律衰减，使得远距离回波很难检测。

七、总结分析与结论

由于时间仓促，本系统在调试过程中有也是遇到了一些问题。比如，之前硬件方面准备是用NE567做锁相环的锁频，以达到对40Khz信号的良好接收，但是实际接收效果并不如我们预期所见，前端上升很慢，后端拖尾严重，无法判断接收的下降脉冲，无法计时，后舍弃。之后仓促的采用了CX20106芯片，实际的效果比预期还好，接收距离4-5米。在软件方面，由于本次首次应用无线收发系统，在通信协议方面花了不少时间，在本次系统中，分为两个子系统，上位机负责数据的显示即声光报警，下位机负责数据（采集温度、角度、测试距离）。为了使得数据采集更加精准，应该在温度补偿、超声波盲区方面进行改进。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/goem.html