超聲波測(cè)距無線傳輸系統(tǒng).doc

超聲波測(cè)距無線傳輸系統(tǒng)摘要：本系統(tǒng)以兩片MSP430作為控制核心，通過RF905進(jìn)行主從機(jī)之間的無線收發(fā)通道。主機(jī)實(shí)時(shí)探測(cè)障礙物距離和探頭在尋找障礙物過程中偏轉(zhuǎn)的角度，并把所計(jì)算的最終結(jié)果通過無線收發(fā)發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶實(shí)時(shí)顯示障礙物距離和角度。關(guān)鍵詞：MSP430 超聲波測(cè)距 無線收發(fā) 目錄 一、方案論證與選擇.21.1、40kHz超聲載波的產(chǎn)生31.2、測(cè)量方法的選擇與論證31.3、接收方法的選擇與論證31.4、電機(jī)的選擇4二、系統(tǒng)組成的最終方案4三、主要單元電路的設(shè)計(jì)53.1、40kHZ方波生成電路53.2、超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路53.3、超聲波接受電路6四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)6五、 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析75.1、使用儀器及型號(hào)75.2、 測(cè)試方法75.3、 測(cè)量數(shù)據(jù)75.4、 誤差分析75.5、 結(jié)論8六、總結(jié)8七、 參考文獻(xiàn)8一、方案論證與選擇1.1、40kHz超聲載波的產(chǎn)生方案一：采用 555定時(shí)器產(chǎn)生。利用555多諧振蕩器產(chǎn)生40kHz方波簡(jiǎn)單可行，控制方便且成本低。方案二：由單片機(jī)產(chǎn)生。此方案系統(tǒng)規(guī)模小，硬件電路簡(jiǎn)單，但需要的定時(shí)器數(shù)目多，且產(chǎn)生的方波信號(hào)有很大誤差。方案三：用DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生。此方案的輸出波形穩(wěn)定，精度高，并且可以根據(jù)實(shí)際電路的選頻特性輸出頻率可精確調(diào)節(jié)的波形，測(cè)量范圍大。但電路過于復(fù)雜，系統(tǒng)太大，成本較高。方案四：由FPGA產(chǎn)生。此方案通過對(duì)FPGA進(jìn)行編程，構(gòu)造分頻器電路對(duì)4MHz有源晶振頻率進(jìn)行分頻，輸出的40KHz方波波形穩(wěn)定，且易于控制。經(jīng)過比較我們采用方案一。1.2、測(cè)量方法的選擇與論證方案一：幅值檢測(cè)法。在發(fā)射功率一定的情況下，回射波幅值隨測(cè)量距離的增大而衰減，而回射波幅值的大小將直接影響測(cè)量的精度。因此該方案只適合粗略測(cè)量，精度達(dá)不到題目中的要求。方案二：度越時(shí)間檢測(cè)法。度越時(shí)間即超聲波從發(fā)射器發(fā)出到接收器接收的時(shí)間，度越時(shí)間與超聲波在氣體中傳播速度相乘即得聲波傳播的距離。此法不用考慮反射信號(hào)的大小，只檢測(cè)反射信號(hào)的有無，這一方案將使硬件電路得到大大簡(jiǎn)化。綜上所述，我們采用方案二。1.3、接收方法的選擇與論證方案一：使用CX20106集成芯片接收。CX20106由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。所以操作簡(jiǎn)單方便，但也因?yàn)槭羌尚酒砸坏┊a(chǎn)生雜波干擾就很難徹底消除，而且放大倍數(shù)也存在局限。方案二：使用分離電路。應(yīng)用分離電路可以靈活的根據(jù)需要設(shè)置放大倍數(shù)，制作的有源濾波器也能有效的消除雜波干擾。綜上所述，我們采取方案二。1.4、電機(jī)的選擇方案一：使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，具有較強(qiáng)的快速啟停能力。其控制特性如圖所示。= ck ,其中為步進(jìn)電機(jī)的角位移量,k 為脈沖數(shù), c 為常數(shù)。這一線性關(guān)系的存在，使得步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差，這一特性是整個(gè)系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)。我們采用的是四相八拍步進(jìn)電機(jī)。方案二：使用舵機(jī)。舵機(jī)為隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)其未轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置時(shí)，將全速向目標(biāo)位置轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其達(dá)到目標(biāo)位置時(shí)，將自動(dòng)保持該位置。舵機(jī)輸出扭矩較大，運(yùn)動(dòng)時(shí)可以外接較大的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)載，而且抗抖動(dòng)性很好，電位器的線性較高，達(dá)到極限位置是也不會(huì)偏離目標(biāo)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信，改變舵機(jī)的位置。通過控制PWM信號(hào)的占空比，獲得一個(gè)直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。角度變化與脈沖寬度的變化成正比。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制方便，而且步進(jìn)角精確，所以我們選擇方案一。二、系統(tǒng)組成的最終方案經(jīng)過方案比較與論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖21所示。系統(tǒng)主要由超聲發(fā)射部分、接收部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和顯示部分組成，可以實(shí)現(xiàn)題目要求的所有功能。MSP430MSP430無線收發(fā)LCDLED電機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)收步進(jìn)電機(jī)555 40kHZ方波濾波放大整形功率放大 圖21 系統(tǒng)組成框圖三、主要單元電路的設(shè)計(jì)3.1、40kHZ方波生成電路555內(nèi)部它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器A1同相比較端和低電平比較器A2的反相輸入端的參考電平為2/3Vcc和1/3Vcc。A1和A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于1/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。 圖31 方波發(fā)生電路其中C1為旁路電容，起到濾波作用。此電路設(shè)計(jì)方波占空比為, T1=T2=0.693RaC ，T=0.722/（RaC）其中T1、T2分別為一個(gè)周期內(nèi)高低電平時(shí)間。設(shè)計(jì)C為102，所以Ra=2.910。3.2、超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 超聲波發(fā)射探頭是電壓型器件，為了達(dá)到超聲波探測(cè)距離，我們需要增大發(fā)射功率。我們先通過TIP31功率管進(jìn)行功率放大，然后通過一個(gè)變壓器提升發(fā)射電壓。具體電路實(shí)現(xiàn)如下圖所示： 圖32 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 圖中，R1為電路保護(hù)電阻，我們?nèi)?0，一級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù)比為1:20。3.3、超聲波接收電路反射回來的聲波經(jīng)聲電轉(zhuǎn)換器后得到的電信號(hào)幅值在mV量級(jí)，且含有幅值相近的噪聲干擾，因而不宜直接進(jìn)行電壓比較，需經(jīng)過放大與濾波后才能得到幅值較大的40K的正弦波，再經(jīng)過電壓比較后得到可以觸發(fā)單片機(jī)中斷的電信號(hào)。放大部分采用兩級(jí)反向放大串接，第一級(jí)放大倍數(shù)固定，第二級(jí)可調(diào)。濾波電路為二階壓控電壓源帶通濾波器，中心頻率為40k，可以濾除50Hz工頻以及其他一些加性干擾。3.4、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)以四相八拍方式運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)角為1.8度。由于當(dāng)L298從工作狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，電機(jī)繞組（感性）中的電流不會(huì)突變，因此會(huì)在四4個(gè)輸出端口上產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的反電勢(shì)，容易將L298擊穿，故將兩個(gè)二極管串聯(lián)構(gòu)成并聯(lián)的四條保護(hù)電路接在地和電源Vcc之間，使得繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)能通過續(xù)流二極管D泄放，從而保護(hù)L298。 圖34 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 擬設(shè)向順時(shí)針方向?yàn)檎较?，已知步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)1.8。計(jì)往正方向輸入總脈沖數(shù)為m，往又負(fù)方向輸入的總脈沖數(shù)為n，即最終輸入脈沖數(shù)為，則偏離角度C=(18S) 四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件部分主要完成下述任務(wù)：控制超聲載波的發(fā)射，在發(fā)射的同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，等待超聲回波觸發(fā)中斷，并響應(yīng)中斷，計(jì)算角度與距離值，結(jié)果通過無線收發(fā)輸送給另一片單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LCD顯示；編程產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)所需的四相八拍控制信號(hào)，令電機(jī)每隔一定時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步進(jìn)角。程序用MSP430編寫，流程圖如下所示： 41 主機(jī)流程圖 42 從機(jī)流程圖5、 測(cè)試數(shù)據(jù)與分析5.1、使用儀器及型號(hào) 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：型號(hào)YB1731A B3A 60M數(shù)字存儲(chǔ)示波器：型號(hào) GOS-1602 數(shù)字信號(hào)源：型號(hào) SG1040A 萬用表：型號(hào) MS8265 卷尺5.2、 測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量次數(shù)第一次第二次第三次第四次第五次第六次實(shí)際距離0.40m0.80m1.50m2.00m2.80m3.00m測(cè)量距離0.41m0.82m1.52m1.98m2.83m3.05m誤差率2.5%2.5%1.3%1.0%0.7%1.6%5.3、 誤差分析系統(tǒng)誤差會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，比如：聲速隨實(shí)驗(yàn)室氣溫改變、測(cè)試人員生理特點(diǎn)等，這些誤差可以通過對(duì)測(cè)量值進(jìn)行修正的辦法處理。（其中T為環(huán)境溫度）。5.4、 結(jié)論本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了題目的各項(xiàng)基本要求，具體包括部分發(fā)揮部分要求：（1）能夠探測(cè)出0.3m3.10m障礙物的距離，誤差5cm;(2) 能夠?qū)崿F(xiàn)在45搜索障礙物，且誤差2。（3） 障礙物在0.30.8m、0.81.5m、1.53m三個(gè)距離段時(shí)可以燈光提示各自的段位；（4）實(shí)現(xiàn)了無線收發(fā)功能。六、總結(jié)1、 在系統(tǒng)調(diào)試過程中當(dāng)障礙物距離發(fā)射頭比較近時(shí)容易產(chǎn)生錯(cuò)誤，經(jīng)分析得出時(shí)發(fā)射頭和接受頭容易發(fā)生衍射現(xiàn)象，于是在發(fā)射后經(jīng)軟件延時(shí)一段時(shí)間消除干擾。延時(shí)越長(zhǎng)越好，但是要是延時(shí)超過聲音能探測(cè)最短距離所用時(shí)間時(shí)就會(huì)不能實(shí)現(xiàn)進(jìn)距離測(cè)距，所以，延時(shí)時(shí)間t（v為聲音在空氣中的傳播速度）。2、 系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有時(shí)會(huì)發(fā)生偶發(fā)明顯錯(cuò)誤。經(jīng)分析可能是外界振動(dòng)產(chǎn)生了40HZ的干擾波，但這種概率很小但無法完全消除。我們分析認(rèn)為可采樣10次，然后去除最高兩組和最低兩組數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)求平均值。七、