全方位超声波扫描器说课材料.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。全方位超声波扫描器-全方位超声波扫描器摘要采用超声波反射测距的方法在1米范围内精确测量到障碍物的距离并对障碍物定位。用步进电机控制探头的偏转，为减小发射和接收的耦合，将接收探头和发射探头分开。单片机采得的数据通过RS232串口发送给微机，在PC机屏幕上显示1米范围类障碍物的分布情况，并显示传送过来的数据。方案论证（一）总体方案比较对障碍物测距并定位的方法基本上都是基于以下的框图：发送装置控制器接受装置障碍物图111测量框图方案一:采用其他探测手段，如用红外线探测方法对障碍物测距并定位。此种方案发送和接收装置都比较简单，但由于光速太高，利用单片机系统很难测定回波，并且红外线的波速也难以整定，因此测量可能会有较大的测量误差。方案二:利用超声波发射和回波信号对障碍物进行定位，室温下声速对于单片机是比较小的，因而此种方法可以保证测量的足够精度，且利用对标准距离的测定可以整定实验时的声速。充分利用单片机的控制特点，由单片机控制超声波的发送和接收及电机的转动。方案三：利用超声波发射和回波信号对障碍物进行定位，但由硬件电路控制控制超声波的发送和接收及电机的转动，单片机只作接口及发送命令。此种方案需要有硬件电路的支持，实现起来较复杂。通过以上比较，我们选取方案二，因为它可以较好完成题目要的功能，并且实现起来简单。（二）具体方案选取根据题目要求，可将系统划分为如下几个部分：发送的调制信号产生电路发送的驱动电路 接收信号的处理 回波信号的提取步进电机的驱动和控制 软件部分对测量的控制此外，为实现扩展部分要求，与主机进行串口通信，还需增加的部分有： PC机接收和界面的编程本系统采用自制的最小系统板，已包含有RS232串口通信模块。1.发送的调制信号产生电路由于是每发送一次接收一次，故测量频率不能太高，而超声波发生器要求频率为40KHz，故需进行调制发送。用一个低频的信号对40KHZ载波进行调制，调制信号高电平期间发射载波。图121调制及载波波形载波可用CMOS门作振荡器产生，可以用单片集成函数发生器ICL8038产生，也可用555作振荡器。前两者不易控制电路工作状态，考虑到发射已调信号要易受单片机控制，故采用555振荡器，控制其第4脚的高低就可以让它产生振荡或不振荡。用单片机的口线控制调制信号产生电路振荡与否，即可对发射进行控制。（由于它们的电路简单，这里不给出电路图。）2发送的驱动电路发送驱动电路提高从发送探头发送出去的功率，增加探测的距离。发送驱动电路有多种方法。（1）可控硅电容放电法先给电容充电以存储较多静电能，然后对升压变压器初级线圈放电，升压后的电脉加在换能器上，激发超声波。其优点是电路简单，发射功率大，持续时间短，但缺点是波形复杂，重复性较差。（2）微机控制谐振法有微机控制以频率等于超声换能器中心频率方波加在超声换能器上，引起晶片谐振，然后微机控制停止激励，晶片逐渐停振，此种方法产生超声波，起振慢，停振亦慢，重复性亦较差。（3）高压放电驱动法此方法是基于压电换能器的基本特性电致伸缩，当沿某方向对晶片加电压时，产生电致伸缩，静电能转换为弹性势能。移去电源后，进行瞬间放电，则晶片将从变形状态转变自由状态，产生超声波。此种方法产生的超声波有良好的重复性，是比较良好发射方式。图122中（a）此种方法的一种发射电路图，图（b）是对应发射波形图122高压放电驱动法基于以上的比较，我们选取第三种方案。3接收信号的处理由于接收的是小信号，回波信号湮没在噪声里，并且由于发射探头对接收探头的影响，产生很大的耦合。采用普通的反相放大，不能有效抑制噪声。若使用查份放大，可以有效的提高共模抑制比，抑制噪声。我们采用仪表放大做前置放大，有效提高信噪比。4回波信号的提取回波信号提取就是要从接收的信号中提取出发射信号的第一个上升沿由于噪声的影响和放大后直流偏置，载波形整形之前进行滤波，并使出发电平可调，以抑制噪声和耦合的影响。5步进电机的驱动和控制步进电机可以用OC门加三极管驱动，此种方法的驱动能力有限，且电路复杂。不仅电机还可用达林顿管驱动，此种方法电路结构简单，且可以提供较大的电流。我们采用第二种方案。图123oc门和三极管作驱动6软件部分对测量的控制系统既要求步进电机转动又要进行测量，这可以染步进电机的转动和测量不想关，也可以在步进电机稳定后才进行测量，这样可以提高测量的精度但会增加软件的复杂度。我们采用第二种方案。7PC机接收和界面的编程PC机接收和界面的编程，我们使用的是C+Build，利用其自带的控件，提高可编程效率并取得了良好的效果。综合以上所述，我们用两片555产生调制信号和载波信号,用高压驱动法进行发射，接收前级放大采用仪表运放，经过后级放大和滤波，调节触发电平，提取回波信号。用软件控制电机的转速和测量。通过系统板上的串口模块与PC机通信。二.系统框图根据上面的分析，我们画出系统框图如下：键发射探头盘单发送波形发送驱动接片产生电路口机接收探头显示放大滤波接收前置接口整形放大PC机图211系统框图三.单元电路分析与计算555发送信号产生电路我们用的步进电机采用四相四拍方式，每一转7.5度,60内转动一周，电机转动的频率为48次/秒，每两次转动之间的间隔为1.25秒，除去电机从转动到稳定的延迟，应当是的调制载波的调制频率满足电机转动一次可进行三次测量，取其平均值，以提高精度，实验时取载波频率40KHz,调制信号频率44Hz，已满足要求。波形如图121所示，调整调制信号的占空比，控制每次发送脉冲的个数。调制信号产生电路的启动由8255的PC4控制。调制电路有与非门完成。原理图如图311所示，图中所有参数都经过反复调试。（）（）（） 图311发送信号产生电路发送的驱动电路发送驱动电路采用MOS功率管IRF830,用普通三极管来控制功率管的充电和放电，用7406进行隔离。当三极管截止时，发送换能器充电，产生形变，当三极管导通时，换能器快速放电，存储的电能转换为机械振动形式的能量，产生超声波。根据以上分析，画出原理图如图321所示：图321发送驱动电路接收信号的处理接收到的小信号，受到很大的污染，尤其是发送探头的近端耦合，会对回波信号的提取产生很大影响，因此，提高接收前端放大的共模抑制比是非常重要的。我们用仪表放大器AD620作前置放大，取得了很好效果。原理图如图331所示。图331前置放大回波信号的提取由于接收探头有其响应时间，故接收波形不是理想的正弦波信号，而是幅由小到大，再由大到小的过程。放大后的接收波形如图341所示。图341接收信号波形回波信号的提取时要从放大后的接收信号中提取出回波的第一个上升沿。故在整形前，我们先采取了滤波的措施。无源带通滤波器的中心频率为340KHz,品质因数通过电为调节。原理图如图342所示。由于滤波器的输入阻抗较小，故滤波器的前级电路采用跟随器，实现阻抗匹配图342无源带通滤波器整形电路采用LM311构成电压比较器电路，阈值电平可以进行调节，以实现正确的检测回波的上升沿。为减小电路噪声的影响，提高触发电平稳定度，从而减小误判，阈值电平采用MC1403输出分压。调整阈值电压可以提高测量的精度。原理图如图343所示。图343整形电路步进电机的驱动和控制步进电机的控制用达林顿管，实验时发现电路有较大的方向脉冲电压，使得电机不能够正常的转动，我们在管子的输出并联一UF电容,以吸收脉冲电流。原理图如图351所示图351步进电机驱动电路6软件部分对测量的控制电机从转动开始，用软件大约延时800ms,然后开始连续测三次，大约用时间0.068s,已经知道电机每两次转动的间隔为1.25s,故单片机有足够的时间处理数据和进行人机接口的处理。7PC机接收和界面的编程采用高级语言c+builder编写pc机与单片机的串口通信程序，当接收到单片机送来的数据后，在圆内相应的位置处画一个红色小点模拟实际障碍物的放置位置。在屏幕上左击鼠标，可以显示此处的直角坐标；右击鼠标显示极坐标。四软件系统设计1算法设计题目要求检测内的障碍物，根据超声波的传播原理，声速与温度的关系大约为c=331.5+0.61t式中，为摄氏温标，为实验时实温为28摄氏度，可以算出声速为c=348.66m/s,从而计算出最大的回波时间为5.74ms,用软件定时，当接收到回波时延超过5.74ms时，单片机认为没有障碍物，显示的数据不变化（只有检测到障碍物时才改变显示数据）。我们已单片机的起始方位为参考相位，探头到障碍物转过的角度作为测得相位值。距离及相位计算公式：L=t*c/2,(米/秒)t：发射到检测到回波间隔=7.5*N(度)N:检测到障碍物时电机转过的次数电机步进为每转7.5度，当半径为时，每次跳过的弧长为13.1m,因此测量时存在角度方向的死区。另外，为减小发射对接收的耦合，一般在发射时不开接收，因而测量时存在着径向的死区。由于我们在接收电路上采取了措施，检测回波时不受发送的影响，从而消除了径向的死区。角度方向死区随着障碍物到圆心的半径变化而变化。单片机检测到障碍物，将障碍物的距离和角度显示，同时检测的数据发送给微机。2程序流程图主程序流程图：开始结束等待打开定时器初始化图421主程序流程图定时中断流程图：8259中断流程：进入中断进入中断中断次数<14?Y计算中断号N步进电机转一步转过360度?返回处理数据下一次开始反转其他关闭定时器1数据处理打开IR1启动发送中断关闭发送超声中断启动定时器1，打开接收超声中断NY打开超声发射中断是否有接收？返回NY图422中断程序流程图五系统测试1测量仪器TektonixTDS1002示波器一台，SG1733SB3A直流稳压电源一台，TektronixAFG310信号源一台，FLUKE17BDIGITALMULTIMETER一只，3m卷尺一只2测量方法题目要求测量半径1m内障碍物，对超声探头的灵敏度要是使能构检测1m内的物体即可。我们使用的超声探头是OU40KI,由于没有详细的技术资料，不了解它的具体性能，通过实测，我们可以在1.2m范围内精确测距。测量距离的精度和接收电路有很大关系，当漏检测一个脉冲时，误差为1*348.66/400000.0087m,漏检测两个脉冲误差已超过1cm。因此需要精确调整阈值电平测量角度误差与步进电机的步距有关，我们的最小步距为7.5度,角度误差不小于7.5度。测量时以接收探头在地面的垂直投影作为圆心，障碍物到探头的前面的直线距离作测试半径，以3m卷尺测的距离作为标准距离ls,量角器测得的参考角度作为标准参考角度As,将超声探头测的距离和角度lx和Ax与其比较，确定测量误差。圆内的障碍物有效面积为5cm´5cm，材料为铝板，中心高度8cm，共6个。3测试数据障碍物个数：1个测量次数：4次表1测量次数标准距离（cm）标准角度（°）实测距离（cm）实测角度（°）距离误差（cm）角度误差（°）13.5182.917.50.60.5210.465610.4152.50.053.5356.5818557.081800.55498.6529599.01292.50.362.5障碍物个数：3个测量次数：2次表2测量次数标准距离（cm）标准角度（°）标实测距离（cm）实测角度（°）距离误差（cm）角度误差（°）16.2596.007.50.251.5158.5618958.501950.066189.5631589.56307.51.007.523.454.254.407.50.953.25245.897746.7082.50.815.25295.2331595.46307.50.237.5障碍物个数：6个测量次数：2次表3测量次数标准距离（cm）标准角度（°）标实测距离（cm）实测角度（°）距离误差（cm）角度误差（°）11.562.52.517.50.95513.4558.43.89600.441.6156.4598.555.6997.50.761189.69189.690.231950.545.4198.75215.999.56217.50.811.61110.26350.1110.99352.50.731.421.562.52.557.50.99523.4558.43.98600.5316256.4598.556.8997.50.441289.69189.689.32.187.50.362.1298.75215.999.32217.50.571.62110.26350.1109.32352.50.941.4通过以上数据，说明系统的测量在设计的范围内。测量距离误差小于1cm,角度误差小于10度。六.结论本系统较好实现了题目要求的基本部分功能，达到了大部分指标的要求，并且实现了部分扩展功能。若改善电机的性能，获得较小的步距，系统的某些指标会更好。-