超声波测距仪以及示波器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本系统基于超声波脉冲法测距原理，由超声波发射模块、超声波接收模块、电源模块、显示与控制模块组成。经过测试，测量范围在,6cm,到,150cm,内，测量误差,10%,以内。,超声波测距仪,方案选择,系统方案一,：基于,CPLD,和单片机的高精度超声波测距的设计方案。测距中的时间是通过高精度的晶体振荡器作为时钟信号源来进行计数测量，同时使用,CPLD,代替常用的单片机纯软件方法实现动作控制以减少误差。由,CPLD,完成超声波的发射和接收，并精确记录回波时间，克服了单片机的速度限制，可以使记录回波的时间精确到,ns,级，系统精度高，成本高。,方案选择,系统方案二,：基于单片机的超声测距方案，由软件控制实现超声波信号的发射、接收及计数器的启动与停止，但超声波信号的发射与计数器的启动不同步，超声波传感器接收到信号与单片机检测到信号之间不同步，又因为单片机的计数频率较低，所以单片机系统的测距误差一般为厘米级。优点是电路设计简单，成本低。,方案描述,图,1,超声测距仪系统总体框图,理论分析与计算,超声波脉冲法测距原理,：声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标障碍物阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间时间可以测量到，那么就可以计算出从声源到目标的距离。,本设计中声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。,室温下声波在空气中的传播速度是,340m/s,，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是,t,秒，则声波经过的距离,d,可以由以下公式计算：,d=34000(cm/s)t(s),因为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是,d/2,。,电路设计,（超声波发射模块）,图,2,超声波发射模块电路原理图,电路设计（,超声波接收模块,）,图,3,超声波接收模块电路原理图,电路设计（,电源模块,）,图,4,电源模块电路原理图,电路设计（,控制与显示模块,）,图,5,控制模块电路与显示模块电路,超声波测距仪整体设计图,图,6,超声测距仪整体原理图,设计流程图,测试方案与测试结果,测试仪器及测试方法,在超声测距仪发射、接收探头正前方放置一物体做障碍物，把障碍物放置到离探头固定距离，记录此距离作为实际距离，再记录超声测距仪显示的测量距离，通过多次不同距离测量得到测量数据，最后对测试结果进行分析。,测试数据记录,实际距离（,cm,）,1,2,5,10,15,20,25,30,测量结果（,cm,）,6,5,6,11,16,21,25,30,误差（,%,）,500,150,20,10,6.6,5,0,0,实际距离（,cm,）,40,50,60,70,80,90,100,150,测量结果（,cm,）,38,54,66,74,85,97,110,163,误差（,%,）,-5,8,10,5.7,6.2,7.7,10,8.6,测试数据分析,经过以上数据的分析，测试距离在,1,5cm,之间时误差都较大。因为单片机的计数频率较低，所以单片机系统的测距误差一般为厘米级。,测试距离在,6,150cm,之间时，误差很小，都在,10%,以内。,数字示波器设计,摘要,基于,AVR,的示波器一个低速的基于,mega32,示波器，它可以用于检测,5HZ,信号，输入电压可在,24,30V,（直流）。由,Vassilis,Serasidis,设计，于,01.Dec.2007,编译语言,:C,语言,方案选择,系统方案一：纯单片机方式。即完全由单片机来实现前级信号程控调理、采样保持电路及,A/D,转换器的控制、数据的处理及存储、波形显示和控制电路等功能。,方案选择,系统方案二：单片机与,FPGA,结合的方式。即由单片机来完成信号调理和人机界面等顶层控制功能，而由,FPGA,来完成采集和信号处理等底层的核心计算。,方案分析选择,方案一的优点在于系统规模较小，有一定灵活性，但不适宜于观察高速信号或复杂信号。在采样速率不是太高的情况下，可以满足要求。方案二是在单片机的管理下，由可编程逻辑器件,FPGA,完成高速控制作用，例如对高速信号的采集和存储，而单片机则实现对,FPGA,及整个简易数字存储示波器的管理。在这里，本着经济实用的原则，而采用方案一。,示波器总框图,方案描述,控制器模块以,Atmega32,单片机为核心的系统。,Atmega32,单片机内置,8,路十位具有可选差分输入级的可编程增益（,TQFP,封装）的,ADC,32K,字节的系统内可编程,Flash,（具有同时读写能力，即,RWW,），,1024,字节的,EEPROM,。,理论分析（有关等效采样分析）,等效采样分析,数据采样技术分为实时采样和等效采样两种。在高速数据采集系统中，实时采样对信号的的捕获能力受到了,A/D,最高采样速率的限制，因为，实时采样是在一次触发后完成整个的采集过程，通常对信号的实时采样都必须满足,Nyquist,采样定理，采样频率至少应为信号最高频率的,2,倍。频率越高就需要越高速的,A/D,转换器。,等效采样的基本原理就是通过多次触发多次采集而获取重建信号波形。等效采样的前提是，信号必须是周期重复的。等效采样通过对周期的信号的多次采样，把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重新排序，实现重建的信号波形。工作于等效采样模式的高速数据采样系统，采样频率可以较低，而信号的频率可以很高。等效采样技术主要有顺序等效采样和随机等效采样。,电路与程序设计,电路参考原理图,电路与程序设计,PROTUES,软件虚拟仿真电路图,测试试结果以及分析,经过软件模拟测试结果，示波器测试显示正弦波，三角波，方波。按键可控制波形的上下移动。,示波器能测到显示的波形最大频率为,100KHz,。电压值为,0,12V,之间。,本设计采用的是,32,位,AVR,单片机内置,A/D,直接将信号进行采样处理，如需测更高频率的信号，需要加入高速的,A/D,转换芯片。,