超声波视觉识别系统的设计和实现

超声波视觉识别系统的设计和实现电子信息工程专业学生 王靖指导老师 闫改珍摘要：木文详细介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。该系统 是以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用发射超声波与反射回波时间差来 测量待测距离。本系统安装使用方便，价格便宜，有较广阔的应用前景。超声测距系统的设计原理以达到更优的系统性能为目的。为适合不同的测距 范围，单片机设置了远近两种发射模式，即近距离测量时使脉冲串来增强回波信 号，根据回波信号特点得到了最佳接收机的组成。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的工作机理及特 性，对于影响测距系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功 能的基础上，提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部 分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了 AT89S51 单片机在系统中的应用， 分析了系统各部分的硬件及软件实现。实验表明，各主要波形及技术指标均达到 设计要求。该系统对有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性，最后文中分 析了误差产生的原因及如何对系统进行完善提出了一些改进建议。 关键词:超声波，超声传感器，超声测距，单片机，温度补偿1、引言1.1课题研究的目的和意义 人类在征服自然、改造自然和推动社会进步的过程中，面临着自身能力、能 量的局限性，因而发明和创造了许多机器来辅助或代替人类完成任务智能机器， 包括智能机器人，是这种机器最理想的形式，也是人类科学研究中所面临的最大 挑战之一智能机器是指这样一种系统，它能模拟人类的功能，能感知外部世界 并有效地解决人所能解决问题人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉 和嗅觉等感觉器官，其中约 80%的信息是由视觉获取的因此,对于智能机器来 说，赋予机器以人类视觉功能对发展智能机器是及其重要的，也由此形成了一门 新的学科机器视觉（也称计算机视觉或图像分析与理解等）机器视觉的发展不 仅将大大推动智能系统的发展，也将拓宽计算机与各种智能机器的研究范围和应 用领域。虽然说人类听不出超声波，原因就是蝙蝠能发出210万赫兹的超声波，这 好比是一座活动的“雷达站”。蝙蝠正是利用这种“雷达”判断飞行前方是昆 虫，或是障碍物的。我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利 用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中 发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便 可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942 年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开 始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不 可缺少的工具。超声波是属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种 纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于 20KHz则称为超声波声波。超声波具有如下特性：(1) 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。(2) 超声波可传递很强的能量。(3) 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。(4) 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率 高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透 几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到 活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学 等方面。测距技术目前一般采用的有超声波测距、微波雷达测距、激光测距、 摄像系统 测距四种。这几CCD种测距方式各有优缺点，超声波传输速度较慢,主要用于短距 离探测;微波雷达测距环境适应性好但易受电磁干扰;激光测距测量时间短、量程 大、精度高，但对外界自然环境敏感；摄像机系统精度高并CCD可进行三维图像 显示,但价格较高。1.2课题研究的内容1) 硬件部分的设计(1) 传感器的选型(2) 运用protle2004进行绘图(3) 数据采集的系统2) 软件部分的设计(1) 软件的介绍(2) 系统界面的设计(3) 流程图的程序(4) 数据仿真1.3 国内外研究的情况一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galtno的气哨实验，这 是人类首次有效产生的高频声波。这些年来，随着超声波技术研究的不断深入， 再加上其具有高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目 前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工业 领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内的一些学者也作了相关的 研究。中国测试技术研究所李茂山在超声波测距原理及实践技术中详细地阐 述了超声波的测距原理，并给出了实现超声波测距的具体框图，并讨论了影响超 声波测距精度的几种原因。在本文中，在此文中，作者分析，利用超声波测华北 电力大学硕十学位论文距是立足于声速在既定的均匀媒传播速度有一恒定数值， 不随声波频率变化的特点，超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间 计量出来，若要求测距误差小于0.01米，那么测量时间的误差必须小于30微秒。 因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，刁能获得实用的测长精度。 在本文中，作者还粗略地提了一下超声波测距的误差的主要来源和对超声波测长 仪的校正。1998 年，曼内斯德马泰克(秦皇岛)有限公司推出了一种数字式超声波位移 测量仪，李忠杰在数字式超声波位移测量仪的研究一文中介绍了这种数字式 超声波位移测量仪的结构，工作原理和功能，其数据处理借助于单板机，给出了 程序框图，对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说明，并列出了部分仪表的实 测数据，并分析了误差产生的原因。在此文中，给出了超声波测距仪在对液压缸 位移进行测量时与其它位移传感器的优势所在，并给出了单板机的程序框图。中国科学院上海声学实验室的王润田在双频超声波测距一文中提出了一 种双频超声波测距的原理和方法，由于空气对超声波的吸收与超声波的平方成正 比，因此，用来测距的超声波的频率不能很高，但另一方面频率越低，波长越长， 测长的绝对误差就越大，测距的范围加大与测量精度实际上是一对矛盾。王润田 提出，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，在测距时同时发射两个频率的 超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样在较大的范 围内实现较高的测距精度。厦门大学海洋系的童峰在一种高精度超声波测距处理方法一文中，提出 在超声测距系统中，测距误差也即声脉冲传输时间t的测量误差，实际上是对测 距脉冲回波前沿的检测误差，作者根据声的发射，反射及传输理论推出并用实验 验证了测距回波包络曲线的近似方程，据此提出了一种高精度超声波测距信号处 理方法，并由理论分析与实验结果，提出了一种基于归一化包络曲线的抗起伏信 号处理方法，其步骤为:A. 用一定的检测方法计算出方程中和起伏参数；B. 根据包络方程推算出回波的理想前沿：C. 得到准确的声波传播时间；D. 乘声速除以2即得距离；并且给出了系统硬件的框图及软件部分的具体功能。实验结果显示，在2.5 一12 米的范围内，系统最大测距误差为0.24%，并具有较高的稳定性。南昌航空工业学院的江泽涛在温度对液体中超声波速度的影响一文中， 详细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度同液体 压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系，进而研究了温度 对声速及声时的影响，用实验测量了不同的液体成分下的声时同温度的关系。郑丰隆在提高超声波测距分辨力的一种单片机测量电路一文中分析了单 片机的内部误差及其分辨力，为了提高测量精度，作者从硬件的角度设计了种外 l 伺电路，提华北电力大学硕十学位论文高了计数参考频率，从而提高了仪器系 统的测量精度。对于测控系统来说，一个测量精度高、抗干扰能力强的传感器是 必要的，超声传感器对于超声波测距系统来说是非常关键的，陕西师范大学的董 胜林，董晓宁研制了一种圆板膜弯曲振动模式的气介式超声波传感器。单片机在超声波测距系统中也有很重要的作用，东北电力学院的韩保亮，孙 伟对这方面进行了有益的探索。在一文中，细述了测量原理以及以单片机为核心 的硬件组成部分。在文章末还对不同反射面被测物对超声测距的影响进行了分 析，并给出了光滑硬表面和泡沫塑料表面物体的实测数据，分析了造成盲区的原 因。误差的处理的合理性对于测距系统精度的提高来说是非常重要的，山东矿业 学院济南分院的曹茂永，张诩芳在泥浆中超声测距误差分析及修正一文中分 析了超声波测距在泥浆中产生的三种误差即：固定探头误差，声速误差以及随机 误差。并对这几种误差进行了修正，实践证明，这几种误差修正的方法有效地提 高了测量系统的准确度。KimiyukiMitsui，MakotoKoike，HidehikoTsukamoto 在一文中提出了一种 基于像散焦点差探测理论的一种新的超声传感器。在研究这种传感器中作者作了 一个假设即：薄透镜理论也适用于物镜和柱面透镜，这种假设是有效的，因为， 射线光学是基于 Snell 法则，而 Snen 法则也适用于超声波。文中也给出了作者 的实验曲线，证明这种方法是有效的。2. 超声波测距技术综述2.1 超声波的概述我们知道，当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声 音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020, 000 赫兹。当声波的振动频率大于20000 赫兹或小于20 赫兹时，我们便听不见了。 因此，我们把频率高于20000 赫兹的声波称为“超声波”。 声波在真空中不能 进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通 常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s,液体中约为120Om/s,固体中 约 4000m/s。空气中超声域（20KHz106KHz）内的波长约为 1.7em0.3X10 4emI 一 2。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干 扰，对被测目标无损害以及声波传播速度在相当大范围内与频率无关等独特优 点，越来越受到人们的重视，已广泛的应用于工业定位检测、无损探伤、医疗 诊断、移动机器人、汽车防碰撞和海洋捕捞作业等领域2.2 超声波传感器简介超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动 频 率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有 频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特 点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可 穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波， 碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物 医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功 能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探 头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探 头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、 表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个 探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的 材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性 能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标 包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电 压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探 头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗 用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之， 灵敏度低。2.3.超声波传感器的分类超声波是人耳不可听的音频范围（约 20kHz 以上）的声波。超声波传感器就是 检测这种超声波的传感器。超声波传感器分类：超声波传感器大致可分为如下几种类型。a. 通用型：超声波传感器频带宽一般可达数千赫，并对频率有选择性。通用型超声波传 感器频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。在多通道，且通道间频率较近的应用中 最好采用窄频带型的超声波传感器。通用型超声波传感器一般分别备有接收传感 器和发送传感器。因最大接收灵敏度和最大发送灵敏度的频率分别为 ft 和 fa， 若用一个传感器必然牺牲其一。b. 宽频带型：宽频带超声波传感器能在工作频率内有两个共振点，因而加宽了频带。该传 感器兼作发送和接收传感器。c. 封闭型：适用于室外环境的封闭型超声波传感器有较好的耐风雨性能，可用于汽车后 面的检测等装置上。d. 高频型这种超声波传感器的中心频率高达200kHz，既可作接收也可作发送用，而 且方向性相当强，可进行高分辨率的测量。由于超声波传感器是一种采用压电效 应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时有相当的衰减， 衰减程度与频率的高低成正比；而频率高则分辨率也高，故在短距离（小于 1m） 测量时应选择频率高（100KHz以上）的传感器，而长距离测量时要选择低频率 的传感器。超声波测距传感器采用TCT1640 T/R普通型，T发射型，R为接 收型。它的标称频率为40kHz，分辨率为1cm，即在串联共振频率fT（40kHz） 上发射灵敏度最高。检测超声波过去一直使用类似于话筒的电动式转换器，类似于电容式传声器 的电容式转换器，或使用磁致伸缩振子。现在检测超声波常使用的是各种类型的压电陶瓷振子。基于以上各超声波传感器的优点，本系统采用超声波传感器是高频型的，也 就是压电陶瓷的超声波传感器。2.4超声波传感器的结构、工作原理 超声波传感器的结构及工作原理将两个压电元件（或一个压电元件和一片金属片）粘合在一起，称为双压电 晶片（由一个压电元件构成的称单压电晶片），如图21所示。超声波射在压电 晶片上，使压电晶片振动会产生电压信号。反之，在压电晶片加上电压会产生超 声波。由压电元件构成的超声波传感器的等效电路如图2 2所示。图（a）为超 声波传感器可等效为一个电感、电容和电阻串联的（共振）电路。图（b）为其 电抗特性，其左侧和右侧呈现电容性，中间部分呈现电感性。利用这一特性构成 了超声波传感器特有电路。超声波传感器有两个共振频率，低频的共振频率ft 叫串联共振频率，在电阻（R），电感（L）和电容（C1）的串联电路中振荡。这 时的传感器阻抗最低；而在高频处的共振频率fa为逆共振频率，在L、C1和CO 的并联电路中产生共振。发射超声波在串联共振频率上具有最高灵敏度。超声波 传感器有两个共振频率。图21超声波传感器结构1保护膜；2 外壳；3 圆锥共振板；4双压电晶片振子;5 支点；6端子；7 匹配箱Q图2-2超声波传感器等效电路和电抗特性（a）等效电路（b）电抗特性ft由L、C、R决定的串联共振点fa由L、CO、C1决定的并联共振点发射超声波传感器的灵敏度在串联共振频率fT上最高。接收超声波传感 器在逆共振频率f d上具有最高灵敏度。接收检测超声波传感器TCT40-16的标 称为40kHz，与前者相反，在逆共振频率fd上接收灵敏度最高。由于超声波传 感器具有共振特性，即使将方波输入到发射传感器，接收传感器的输出也是正弦 波。2.5超声波测距的基本原理超声波测距已广泛应用于生产、科研的方方面面。如移动机器人要想能够自 动避障行走或是找到目标物，就必须装备测距系统，获取障碍物或目标物的距离 信息。在工业生产方面，当现场条件受限时也常常使用超声波进行非接触测距。 目前超声波测距仪的测量距离和精度能够满足一般工程上的需要，且成本较低， 使用方便，但是对于移动目标的测量，却不尽人意。超声波测距一般有直接式和反射式这两种方式，如图2-3所示。图2-3a）为 直接式，由一个专用超声波发射器和一个超声波接收器组成，通常用于连续波相 移法测距系统。由于连续波相移法的测距范围通常仅为一个波长，因此应用场合 有限。图2-3b）为反射式，发射器和接收器同装在一个水平面上，当测距范围较 大时，可忽略反射角a的影响。考虑到现实的应用意义，反射式是较远距离测量 和移动目标测量最常用的方式。其原理是:超声波发射器发射超声波，检测波经 （大气）媒质传播到达超声波接收器的时间t,则t与（大气）媒质中声速相乘，即 可得到声波传输的距离。当S相对较远时，可忽略反射角，或采用收发同体的传 感器，利用声波传播速度在相当大范围内与频率无关这一性质，超声波发射器与 被测目标之间的距离S为S=l/2ct其中，c为超声波在空气中传播的速度，一般情况下约为344m/S。当发射的超声 波为一个或一组脉冲时，这种方法就是脉冲回波法。B）直接式b）反射贰图2-3超声波测距图3、系统设计 3.1实现的功能 超声波视觉识别系统具有高精度测距功能，通过对物体进行扫描，以采集距离信 息和反射波幅值信息，本系统采用510ms间隔，可测量最大距离为 8501700mm。由于超声波的传播速度v受到空气中温度、湿度、压强等影响, 其中温度的影响最为突出，温度每升高1C,速度增加约0.6m/s。因此在测量精度 要求很高的场合，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正，以提高测量精 度，减小误差。温度测量选用DALLAS公司的DS18B20数字式温度传感器,它通过 输出9位（二进制）数字来直接表示所测量的温度值,温度值是通过DS18B20的数 据总线直接输入CPU,无需A/D转换，而且读写指令,温度转换指令都是通过数据 总线传入DS18B20,无需外部电源。DS18B20数字温度传感器与AD590、LM35等温 度传感器相比，除了具有相当测温范围和精度外,还具有温度测量精确和不受外 界干扰等优点。3.2系统框图图 3-1 是超声波视觉识别系统的原理框图超声波视觉识别系统的工作原理在单片机产生的控制信号作用下,超声波发射电路产生 40kHz 左右的脉冲, 经放大后驱动发射端的超声波换能器 ,发出同频率的超声波 ,同时单片机内计数 器开始计数。超声波被反射后再经接收端的超声波换能器转换为电信号,经滤波 放大后送给检波器。一旦检波器收到回波,计数器便停止计数,得到计数值。然后 单片机再根据计数频率和温度补偿电路测得的声速,计算得到距离。系统主要有硬件和软件两部分组成：本系统硬件部分主要有超声波发射及接受电路，自动增益放大电路，反射波 峰值保持电路，温度补偿电路，单片机的控制等等。本系统软件所实现的功能主要是针对信号控制、数据存储、信号处理、以及 数据的传输与显示等等。3.3 硬件设计系统的硬件设计分为模拟和数字两个部分，模拟部分包括超声波发射-接收 电路，自动增益放大电路，反射波峰值采样-保持电路（包括信号前置放大电路， 滤波电路，电压比较电路等）：数字部分包括单片机最小系统，测温电路，LCD 显示电路，USB接口电路等。对于硬件设计，从成本和性能两方面考虑，力求结 构简单，成本合理，功能完善，稳定性较好.3.3.1 超声波发射驱动及接收转换电路发射驱动及接收转换电路如图所示T1T图3-2超声波发动驱动及接收电路原理图超声波发射驱动及接收转换电路原理图工作原理为：由AT89S51单片机产生 40kHz的TTL脉冲信号通过P1.0输出，再经过三极管Q1和变压器TR1进行功率 放大，在变压器副线圈上将电压10倍放大后,换能器上加载的正弦电压幅值约为 100 V.在变压器TR1原线圈上，串联了限流电阻R2;变压器TR1副线圈上,R3是与 超声波换能器进行阻抗匹配的电阻，在副线圈导通时，由于加在换能器上的电压 很大(100V)，接地的两个反向并联的二极管对后面的接收电路的前置放大电路输 入端进行钳位，使其电压最大不超过07 V，以免前置放大电路的输入端电压因 为过高而发生阻塞。超声波在空气中传播，遇到目标物体反射的回波信号,加载到 超声波换能器上，换能器由于压电效应产生微弱电压信号，输出的这种回波信号 是mV级的电压信号。由于二极管的导通电压为07 V，回波信号不能经过两个 反向并联的IN4148和变压器副线圈构成回路,只能经过电阻R4、电容C3送入前 置放大电路的输入端。接收电路在接收电路中，设计了前置放大、带通滤波(中心频率f0=40 kHz)、自动增 益控制(AGC)电路和整形电路。前置放大、自动增益控制(AGC)电路把微弱回波信 号放大了 200倍以上，足够满足后面整形电路的需要;带通滤波电路为滤波效果 比较理想的高Q值、窄宽带的二阶带通滤波器，实验表明输出波形稳定，滤波效果 理想,实验数据能达到测量精度的要求。3.3.2放大电路(AGC)在信号检测处理过程中,经常需要对信号电平进行调整；微弱的电信号经长 线传输后，需要进行适当的补偿和校正。自动增益控制电路在解决上述问题时具 有其独特的效果。我们利用可控增益放大器(AD603)配以适当的外围电路，用反馈 控制技术实现了自动增益控制的设计电路。该电路可广泛用于仪器仪表检测及视 频信号处理等领域。AD603的性能特点AD603为单通道、低噪声、增益变化范围线性连续可调的可控增益放大器。 带宽90MHz时增益变化范围为-lldB+31dB;带宽为9MHz时为9dB51dB。增益变 化范围可进行控制。共有三种模式：(1)5脚与7脚断开时，增益变化范围为9dB51dB;（2）5脚与7脚短接时，增益变化范围为-lldB+31dB;（3）5脚与7脚之 间接一电阻时,可使增益变化范围进行平移，例如5脚与7脚间接2 15kQ电阻 时，增益变化范围为0dB40dB。其主要技术指标如下：ft供电电压土引彳土引12 SinA倚号入电阻2冲脚）m皿训M皿峰值输出电压Pl土対输出短辟电流SOnnA橢山阻抗（1(-(1 3、瑤柿；J (J. 5V)H. 5dB值得注意的是：（1）在5V电源供电时，最大信号输入为lVrms（l 4V峰一 峰值）；（2）信号输入阻抗为100Q,在某些应用场合下，需要在输入端加一级缓冲 器或预放大器用以阻抗匹配；（3）将两个AD603串联使用可扩展增益控制范围。 自动增益控制（AGC）电路工作原理图3-3是采用AD603和利用反馈控制技术实现的自动增益控制电路。AD603 的4脚偏置为+5V，增益控制端1脚偏置为某一固定的直流电平（比如+55V），增 益控制端2脚电平为电容C5上的电位。而C5的充电电流IA为三极管TR1的集 电极电流I1与三极管TR2的集电极电流12之差，即IA=I1-I2。当输出端（7 脚） 电位升高时,三极管TR2趋向截止,TR2的集电极电流12减小，致使C5上的电位 增高，AD603的增益减小仮之，当输出电位降低时，三极管TR2趋向导通,TR2集 电极电流I2增加，致使C5上的电位降低,AD603的增益增大，达到了自动增益控 制的目的。3.3.3峰值保持该电路主要功能是对前端放大器的输出信号进行峰展宽，或称峰值保持，以 便后续电路采样，进而进行数据处理。该电路是一种通用型峰展宽电路，它也适用 于其他信号特别是高速窄脉冲信号的峰展宽，从而为脉冲信号的峰值测量提供了 一种方法与手段。该电路可以接受脉宽W15ns,前沿W3ns,频率20MHz，幅度三 50mV的输入信号。该电路具有较高的灵敏度,频带宽，反应速度快，小信号响应好 的特点。实际的高速窄脉冲的峰值保持电路的峰保持电路其输入为小幅度、窄脉冲信号, 根据实际工作的要求，我们设计了一种新的高速窄脉冲的峰值保持电路。峰保持 电路原理框图如图图3-4高速窄脉冲的峰值保持电路原理框图Al、A3为放大器隔离级;A2、DI、D2、Cl、R3构成了积分电路实现峰值保持。 在本电路中,我们利用运放A2和普通二极管D1组成负反馈电路来获得理想二极 管,克服了死区电压,提高了电路的灵敏度。如图3所示，运放A2作为同相放大器 工作,VA与Vi同相，且|VA|Vi|。当Vi0时,VA为正值使D1导通;根据深 度负反馈条件下运放输入端虚短概念，得到VCVi,保证了峰值信号与输入信号 之间的线性关系，同时也提高了电路处理小信号的灵敏度。考虑到当输入信号下 降时VA下降，使得VAVC,D1截至,A2负反馈电路断开,A2处于开环状态。由于此 时A2的反向端电压大于同向端电压，使VA输出很大幅度的负信号,为此引入了二 极管D2和电阻R3,对A2的输出幅度进行了一定的限制，保证放大器及整个峰保 持电路能够继续稳定工作。3.3.4温度补偿电路设计温度补偿的原因:在影响超声波测距误差的因素中，温度的影响是比较大的。超声波的传播速度在不同温度下是不同的，其传播速度与环境温度T的关系见式c=331 4+T/273因此用常温下的超声波速度341m/s来计算不同温度环境下的超声测距的距 离是有很大误差的。为了提高测距精度，我们必须对超声波的速度进行温度补偿, 用温度传感器测得环境温度的数值，从而得到该环境下的超声波速度。为简化硬件 电路设计,本系统温度补偿采用DS18B20数字温度计，不需要进行模数转 换,DSB1820数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。基于DS18B20的温度测量电路DS18B20温度传感器是美国Dallas半导体公司最新推出的一种改进型智能 温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且 可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的 性能特点如下：独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能； 无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V； 零待机功耗；用户可定义的非易失性温度报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 温度以9或12位数字量读出；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 温度测量电路基于DS18B20 一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路 如图4-10所示。温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以 0.0625C/LSB形式表达。十六位温度读数形式为：呂 sS S $ F FF 卩 討拼亍旷茁 匚nmi a i u a bm n ii n n n a g a n ci a其中，高5位为扩展符号位。转换周期与转换精度设定有关，9位精度时，最大 转换时间为93.75ms； 12位精度时，最大转换时间为750ms。DS18B20的引脚判 断方法是：字面朝人，从左到右分别是1 （GND）、2 （输入/输出）、3 （VCC）。 上拉电阻可选4.7k左右。R154.7K1 卜图3-5温度测量电路图3. 3. 6单片机系统本超声波测距系统以的AT89S51为中央处理器，系统上电工作后，由脉冲发 生器发出以脉冲信号，该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超 声波脉冲，另一方面，触发AT89S51内部定时器T1（由外部中断INT0实现）开始定 时；同时由AT89S51控制按时间自动改变放大其增益，即按发射波未到达接收器 的传播时间逐渐增大放大器增益。接收到的超身回波经过发大、滤波后，一是直 接送给鉴幅器，二是经峰值保持电路提取回波峰值作为阈值的基准信息AT89S51 通过ADC0809采样回波峰值，经过软件加权处理后作为鉴别阈值，再经过DAC0832 送给鉴幅器。当回波包络中某个波被鉴别出来时,则立即触发外部中断INT1关闭 定时器T1,同时,P1.1设置检测窗口；由T0计数器窗口内鉴别回波个数n,根据n 确定下次鉴别给定值的大小，闭环控制至nW5为止。然后从补偿值表中取出与n 对应的补偿值，对T1的计时时间（实际上这是从发射超身波到接收到第一个鉴别 回波之间的计数值，计数周期为lus,12M晶振）进行修正，获得超声波实际的往复 传播时间，再通过3字节浮点运算求出距离，由AT89S51串行通信口送LED显示。 本系统每隔5s采样一次环境温度，以修正声速，所以在系统还可以加入温度传感 器来监测环境温度，把表3-6所列的数据做到程序中可进行温度补偿。温度（X）-30-20-101020100声题（米/秒）313319325:2333S3443的声速与温度关系表ATMEL公司的AT89S51单片机，是一种低功耗、高性能的、片内含有4KB Flash ROM的8位CMOS单片机，工作电压范围为2.76V （实际使用+5V供电），8位数据总 线。它有一个可编程的全双工串行通信接口，能同时进行串行发送和接收。通过 RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。3.3.7显示电路的设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子 产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而己。最简单的显示 器可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示 器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD于显示的距离范围在4米之内，选用3 位LED示，表示距离的XXxcm数值。本单元电路设计如图3 一 18所示，采用3位共阴极数码显示管，显示字符 由单片机PZ 口送至锁存器74HC574锁存，再经显示驱动芯片ULNZ003马区动数 码管显示，P0.1 一 P0.3分别控制每一位的动态显示。FOO FtJ JP0 4 PO J fq e m$ITpi JM ii/TaD ALE.iFJttXJ lraMrrBKJWHTI.F17ra.4/niP2 舟fs vnM3Pitkisrft即 4M TJMXT *12即 J3XTkt tF3JCHT-F9J0花冃-尹T3134Li 1-31邓9图3-7显示部分电路图74Hc574为3态输出D型上升沿触发器，在输入使能端口百有效时，当时钟 脉冲CK有上升沿跳变，触发器发生翻转，将锁存的8路输入数据（即单片机PZ 口送出的字符数据）送出显示。ULN20033为显示驱动芯片，抬升单片机的输出电流，提高负载驱动能力。 其内部含七对达林顿放大管，其主要功能：当输入为高电平时，输出为低电平； 输入为低电平时，输出为高电平。本课题让单片机PO.1 一 P0.3经此芯片提升驱 动能力从而控制数码管的位选，实现数据动态扫描输出。3.3.8电源部分三端可调输出电压集成稳压器是在三端固定式集成稳压器基础上发展起来的生 产量大应用面广的产品，它也有正电压输出LM117、LM217和LM317系列、负电 压输出LM137、LM237和LM337系列两种类型，它既保留了三端稳压器的简单结 构形式，又克服了固定式输出电压不可调的缺点，从内部电路设计上及集成化工 艺方面采用了先进的技术，性能指标比三端固定稳压器的高一个数量级，输出电压在1.2537V范围内连续可调。稳压精度高、价格便宜，称为第二代三端式稳 压器。LM317是三端可调稳压器的一种，它具有输出1.5A电流的能力，典型应用的 电路见图。该电路的输出电压范围为 1.2537V。图 3-8 是电源电路图3.4 软件的实现3.4.1ATMEL89551 单片机简介随着计算机技术与微电子技术的发展，智能仪表的功能逐步完善，工作的可 靠性也进4. 1ATMEL89551 单片机简介一步提高，而单片机却是随着功能的不断增 强，价格逐渐降低。在本系统设计中，我们使用美国ATMEL公司生产的8位单片 机一AT89ssl作为控制器件。AT89S51是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器 (FPEROM FalshProgrammableandErasableReadonlyMemory)的低电压，高性能 CMoS 结构的 8 位微处理器。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制 造，与工业标准的 MCS 一 51 指令集和输出管脚相兼容，并且将多功能 8 位 CPU 和FLASH存储器组合在单个芯片中，因而，AT89S51是一种高效的微控制器，为 很多智能仪器和嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。下面简单介 绍一下该单片机的一些特性。8 位单片机 AT89S51 的主要特性是:1) 与MCS 一 51指令兼容：2) .4K字节在系统可编程(ISP)Flash闪烁存储器；3) .寿命：1000写/擦循环;4) .4.0 一 5.5V的工作电压范围；5) .全静态工作模式:OHz 一 33Hz;6) .三级持续加密锁；7) .128x8字节内部RAM:8) .三级程序存储器锁定；9) .32位可编程1/0线；10) .两个16位定时器斤t 一数器；11) .5个中断源；12) .全双工串行UART通道；13) .低功耗的闲置和掉电模式；14) .中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗(WDT)及双数据指针；16) .片内振荡器和时钟电路；17) .掉电标志和快速编程特性；18) .灵活的在系统编程(ISP 字节或页写模式); 单片机AT89S51各引脚定义如图3-9所示，P1.0 JliJvcc:3 P旣白F1.f 匚36Z1 FPMP1.3 匚17 FU.2匚咎自日d Pm内llwoisl P1.5 匚6- Ptl.4IMISO)靜TH 匚7 pn.sISC-K) Pi .7KP33J PLkBR3T匚R1 FtJ.7rnxD) n L R/WPTTK&? E 1 uItM izi al&prosc P6FN(IRTlJ P.3 -n F2.7仃谢阳,L14J(TtiI15鸿 P2.gcWFT)巧用T社25i P加旧 P3.7 一1724XTAL3 Jl卫占陀览XTAL1122I口 ,SI1 F2.O单片机部分设计主要包括1/0端口的分配以及软件设计的流程。按照第三章 的总体设计方案，具体单片机引脚分配如下：(1) .由单片机PI.0引脚发射一组方波脉冲信号经过功率放大电路推动超声 传感器发射探头发出超声，同时打开内部定时器计时。(2) .接收探头收到信号经过放大滤波电路，再经过门限比较器产生负边沿跳 变来控制单片机中断INTO(P3.2引脚)，同时关闭内部定时器停止计时。(3) .为降低成本本系统采用动态扫描显示，采用3位共阴极数码显示管，显 示字符由单片机PZ 口送至锁存器74HC574锁存，由P3.6引脚控制D触发器 74HC574输出要显示的字符，同时由PO.1 一 P0.3引脚经显示驱动芯片ULN2003 进行位选通，以控制驱动数码管具体位显示。单片机AT89551的定时器/计数器组成的核心是一个16位加1计数器，其计 数脉冲有两个来源:一是由外部事件提供的计数脉冲通过引脚Tx端口送加1计数 器;另一个是由单片机内部的时钟脉冲经12分频后送加1计数器。所以，单片机 AT89551的定时器/计数器既可以工作于定时方式，也可以工作于对外部事件计 数方式，只要置位或者清零其控制寄存器TMOD的设置位即可实现工作方式的选 择。TCON寄存器用于控制定时器/计数器的启停和中断请求。我们通过指令对 TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的各位进行编程就可以实现整个定时/计数 器功能。1. 定时器/计数器方式控制寄存器TMOD用来选择定时器/计数器0、1的工 作方式，低4位用于定时器/计数器0,高4位用于定时器计数器1。其值可用程 序决定。格式如下表一所示：PtDD5D4D31b! DOGiYTEC/TMlMOGATEC/71MO定吋翻汁数器【定时器/计数器0(1) .定时器/计数器功能选择位C/子，C厅=1为计数器方式，C/币=o为定时 器方式。(2) .定时器/计数器方式选择位Ml，M0决定定时器/计数器4种工作方式： 工作方式0设置MI=O, MO=0时定时器/计数器为方式0,构成13位定时器/计数器。基 于单片机的超声测距系统 工作方式1设置Ml=0, MO= 1时定时器/计数器为方式1,构成16位定时器/计数器。 工作方式2设置Ml二1, MO=0时定时器/计数器为方式2,构成自动重新装入初值的8 位定时器/计数器。 工作方式3设置Ml=1, MO 二 1时定时器/计数器O处于方式3,同时被分为两个8位定 时器/计数器，定时器/计数器1在此方式无实用意义。(3) .门控制位GATE,如果GATE=l,定时器/计数器0的工作受芯片引脚不厅 6/P3.:控制，定时器/计数器1的工作受芯片引脚雨五/Ps.3控制;如果GATE-0, 定时器/计数器的工作与引脚i丙而、i面五无关。一般情况下GATE=O。2. 定时器/计数器方式控制寄存器TCON高4位用于控制定时器/计数器O、 1的运行;低4位用于控制外部中断，与定时器/计数器无关。格式如下表二所 不：鱼D6D5D4厂DD2!DIJTFITRITFQTROIE!1TI(1).定时器/计数器1运行控制位TRI 一 1时定时器/计数器1工作，TR=O则停止工作。TRI由软件置1或清零。(2) .定时器/计数器1溢出中断标志TFI,当定时器/计数器1计数溢出时由 硬件自动置 TFI 一 1，在中断允许的情况下，便向 CPU 发出定时器/计数器 1 的 中断请求信号，CPU响应后TFI由硬件自动清零。在中断屏蔽条件下，TFI可作 查询测试用。(3) .定时器/计数器 1 运行控制位 TRO 和溢出中断标志 TFO 功能与 TRI，TFI 相仿。(4) .ITI为外部中断触发方式选择，ITI=o时不币为电平触发方式，当外部 引脚雨石上出现低电平时就向CPU申请中断，CPU响应中断后要采取措施撤销中 断请求信号，使INTI恢复高电平;ITI=1时而雨为跳变触发方式，当外部引脚了 丙石上矛月现负跳变时，该负跳变经边沿检测器使 IEI 置 1，向 CPU 申请中断。 CPU 响应 l 一卜断后由硬件自动清除工 EI。3.4.2 系统软件在系统硬件构架了超声测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是 针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据第三章所述系统硬总体设计方案 和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能:1. 信号发射控制在系统硬件中，已经完成了发射电路、接收放大电路、滤波及门限检测的设 计。在系统软件中，要完成脉冲串的输出。2. 数据存储处理为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此时计数器的计数值，但 不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间转换公式 为:S=0.5*V*T 一 0.5*344*T=172*T,其中，T为发射信号到接收之间经历的时间 由于单片机是按照 16 进制进行运算，所以得出的 S 并不能直接显示，需要进行 转换。在这个部分中，信号处理主要包括计数值与距离值换算，以及二进制与十 进制转换。3. 显示输出数据传输与显示经软件处理得到的距离，送到与单片机 PZ 口用三位 LED 显 示输出。(1) 主程序结构本系统采用了单片机AT89551，用单片机汇编语言实现软件编程。软件功能 的实现可以分为主程序、子程序、中断服务子程序几个主要部整个系统的控制流 程如图 3-10 所示，打开罡吋黑外却中斷戶理字3-10主程序流程图在初始化以及调用发射脉冲串子程定时器开始计时，程序进入中断响应的等 待。程序初始化过程，主要是数器工作方式以及初值进行设置，程序如下：MAIN:M0VTM0D，#0IH;定时器O初始化为定时器方MOVTLO， #00HMOVTHO， #00HSETBETO;开定时器O中断SETBITO;设置外部中断O为边沿触发SETBEX0;打开外部中断INTOSETBEA;开总中断SETBTR0;启动定时器0LCALLPULSE;调用发射脉冲子程序WAIT:AJMP;卞程序踏步，等待外部中断(2) 外部中断子程序如图3-11所示，3-12外部中断子程序流程图中断服务程序是响应单片机的外部中断。在系统主程序中，发射的4OKHz 脉冲信号遇到障碍物反射后，经接收检测电路产生外中断信号至单片机。在中断 服务程序中，首先进行必要的现场保护，再把进入中断服务程序处的计数值读出并对该数据进行处理，计算得到相应的距离值，同时转换为十进制，最后送到PZ 口显示输出。RECEIVE:PUSH PSW;中断现场保护PUSH ACLREXO;关闭外部中断INTOMOV RO，TLO;读取时间MOV RI， THOLCALLMULD;调用乘法子程序计算机距离LCALLADJ;调用十进制调整子程序LCALLDISP;调用显示子程序SETB EXO;打开外部中断州TOPOP APOP PSWRETI(3) 定时器中断子程序定时器中断子程序流程图如图3-13所示。定时小断入113-13定时中断子程序流程图由于51单片机是16位定时器，最大计时时间为65536us，当测量的距离很 远的时候，定时器就会发生溢出；所必须对溢出中断进行相应的设置才能使得单 片机正常工作。同时由于电路的测量距离有限最远为5米，当测量距离超出5 米时，接收探头就不能检测回波，即不能产出外部中断更不可能关闭定时器。程 序如下：TIMEO:PUSH PSW;中断现场保护PUSHACLREXOCLRTROMOVTLO，#00HMOVTHO，#00HSETBTROSETBEXOLCALLPULSE;调用发射脉冲子程序POP APOP PSWRETI4、测试设计和测试结果URG00 OOHAJHP HAIHORGOOOBHAJHF TSH5ORG01 OOH1LAI1I ;MOVTHi込 #10HM0TLOOLIHMOVTRO,#OOHMOVRSDOHMOVP2,#OOHMOV70H3FTMOV7IH306HMOY72HJ3FHMOVCLE：.PI.OImhiyain - Cl 错误 汩）” 1 警告 汩）.Ki造日标 Tor-s- 11 il*y编 ultraiBonic.aisn. . .ultrasonic 133): 警告 A4 1 : MISSING 1 EME 1 STATEMENT 连菠匚