基于CPLD和單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距研究

1、設(shè)計(jì)與應(yīng)用文章編號(hào)：（）中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息（嵌入式與）年第卷第期基于和單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距研究（江西理工大學(xué)）劉建生，程鐵棟楊麗榮摘要：提出了一種基于和單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)方案。測(cè)距中的時(shí)間是通過(guò)高精度的晶體震蕩器作為時(shí)鐘信號(hào)源來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。同時(shí)使用代替常用的單片機(jī)的純軟件方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制，以減少誤差。在電路設(shè)計(jì)中，充分考慮了延時(shí)所造成的誤差并予以克服。關(guān)鍵詞：；單片機(jī)；超聲波測(cè)距中圖分類(lèi)號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：技術(shù)創(chuàng)新：，：，引言以往利用超聲波測(cè)量距離往往采用單片機(jī)單機(jī)系統(tǒng)（由單片機(jī)軟件控制發(fā)射、接收及計(jì)數(shù)器的關(guān)停與啟動(dòng)），這種方法所帶來(lái)的誤差在厘米級(jí)。原因主要有：?jiǎn)纹瑱C(jī)計(jì)數(shù)器

2、頻率較低造成的誤差；計(jì)數(shù)與發(fā)射信號(hào)由軟件控制動(dòng)作而產(chǎn)生的不同步；超聲波傳感器接收到信號(hào)與單片機(jī)檢測(cè)到信號(hào)之間不同步等。本文給出一種以為控制核心的基于超聲波測(cè)距原理的測(cè)量方法。經(jīng)過(guò)制版測(cè)試，所得結(jié)果提高到毫米級(jí)，而且電路原理較為簡(jiǎn)單。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理總系統(tǒng)框圖如圖所示。系統(tǒng)由控制電路模塊、單片機(jī)控制模塊（包括溫度傳感器和顯示部分）和超聲波傳感器模塊（包括信號(hào)的發(fā)送，接收與整形）組成?？刂齐娐纺K通過(guò)控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波到固定端面，同時(shí)啟動(dòng)高精度計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。超聲波波前經(jīng)反射后由接收端接收，當(dāng)接收到第一個(gè)反射波信號(hào)即停止計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)器值送入單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)計(jì)數(shù)器值計(jì)算出時(shí)間間隔。再經(jīng)過(guò)溫

3、度修正計(jì)算出超聲波速度，最后利用（）式計(jì)算出發(fā)射器到反射點(diǎn)的距離，并顯示結(jié)果。超聲波測(cè)距的原理超聲波測(cè)距的原理一般采用回波測(cè)距法，即測(cè)量超聲波發(fā)射到遇到障礙物返回的時(shí)間間隔，然后根據(jù)（）式計(jì)算距離值。（）式中，距離；聲波在介質(zhì)中傳輸速率；聲波傳輸?shù)乃?jīng)歷的時(shí)間。聲波在空氣中傳輸速率為：!式中，絕對(duì)溫度；。（）本文給出的系統(tǒng)以為核心來(lái)控制超聲波的發(fā)射，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播遇到障礙物時(shí)則返回。當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)反射波時(shí)立即停止計(jì)時(shí)，測(cè)得時(shí)間。劉建生：副教授圖模塊設(shè)計(jì)模塊包括個(gè)部分，分別為位計(jì)數(shù)器，例元：設(shè)計(jì)與應(yīng)用使為低電平，此時(shí)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)，并向單片機(jī)發(fā)出信號(hào)通知單片機(jī)讀取計(jì)

4、數(shù)器數(shù)據(jù)。有限狀態(tài)機(jī)描述如下：標(biāo)準(zhǔn)方波發(fā)生器，四選一數(shù)據(jù)選擇器，計(jì)數(shù)器控制電路和一個(gè)簡(jiǎn)單的有限狀態(tài)機(jī)。其內(nèi)部框圖如圖所示。工作原理：有限狀態(tài)機(jī)輸出清零信號(hào)后，置為高電平，觸發(fā)器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖下降沿置端為高電平。使能信號(hào)控制計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)打開(kāi)緩沖門(mén)讓方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射超聲波。整形接收電路對(duì)接收器接收到的波前進(jìn)行整形并輸出一高電平到計(jì)數(shù)器控制電路，此低電平作為計(jì)數(shù)器控制電路的時(shí)鐘信號(hào)?？刂齐娐吩跁r(shí)鐘信號(hào)到達(dá)后引腳輸出一低電平使使能信號(hào)，關(guān)閉計(jì)數(shù)器和方波驅(qū)動(dòng)的發(fā)送。有限狀態(tài)機(jī)等待單片機(jī)取走計(jì)數(shù)值后開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)工作。位標(biāo)準(zhǔn)頻率計(jì)數(shù)器此處采用的晶體震蕩器作為標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)源。這一頻率精度影響系

5、統(tǒng)的測(cè)量精度。計(jì)數(shù)和發(fā)射動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。因?yàn)橐粋€(gè)脈沖的周期為，假定超聲波的速度為，一個(gè)脈沖丟失造成的誤差僅為。計(jì)數(shù)器模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，描述如下：（）；：（，）：（）；計(jì)數(shù)器控制電路觸發(fā)器在信號(hào)置以后，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿使端輸出高電平。同時(shí)此高電平被使能信號(hào)送入超聲波發(fā)射器。此波前被固定端面反射后有半波損失，到達(dá)接收應(yīng)產(chǎn)生度相移。當(dāng)計(jì)數(shù)器控制電路的時(shí)鐘信號(hào)由低變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿輸出，停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器控制電路描述如下：技術(shù)創(chuàng)新（，）：；數(shù)據(jù)選擇器多路數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)據(jù)選擇信號(hào)線(xiàn)由單片機(jī)的兩個(gè)引腳控制。在單片機(jī)兩個(gè)引腳上的不同邏輯組合輸入下，模塊將位數(shù)據(jù)逐次送入單片機(jī)。數(shù)據(jù)選擇器的描述語(yǔ)

6、言如下：圖有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。和單片機(jī)的握手信號(hào)直接取自的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以確保同步性。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或接收到單片機(jī)發(fā)出的讀數(shù)據(jù)完成信號(hào)有效時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)同時(shí)清零并置為低電平。在下一時(shí)鐘狀態(tài)機(jī)進(jìn)入狀態(tài)，同時(shí)置，啟動(dòng)觸發(fā)器開(kāi)始發(fā)射方波信號(hào)并計(jì)數(shù)。當(dāng)反射波波前到達(dá)接收電路后計(jì)數(shù)器控制電路（）”（）”（）”（）”（）單片機(jī)控制模塊單片機(jī)控制模塊硬件包括距離顯示、模塊接口、和讀取溫度三部分。單片機(jī)顯示電路較為簡(jiǎn)單，在此不做介紹。單片機(jī)和模塊接口控制由軟件實(shí)現(xiàn)。由狀態(tài)機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)設(shè)置為技術(shù)應(yīng)用例：元年設(shè)計(jì)與應(yīng)用中文核心期刊微計(jì)算機(jī)信息（嵌入式與）年第卷第期外部中斷，單片機(jī)完成一次距離顯

7、示后即開(kāi)中斷接收下一組計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)。用于溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葴y(cè)量傳感器采用的一線(xiàn)式傳感器。它具有接口簡(jiǎn)單（僅須一根數(shù)據(jù)線(xiàn)）測(cè)量范圍廣、精度高的（在不適合戶(hù)外使用。）超聲波波長(zhǎng)在左右，如果干擾造成接收電路誤動(dòng)作造成的誤差至少是。所以接收整形電路的穩(wěn)定性、有效性極其關(guān)鍵。超聲波適用于測(cè)量較長(zhǎng)距離。內(nèi)精度為±）特點(diǎn)。在溫度變化范圍不大的場(chǎng)合單片機(jī)得到溫度值后，可以通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)聲波在空氣中傳輸速率的測(cè)量。）對(duì)于距離不發(fā)生突變的場(chǎng)合，單片機(jī)軟件可以利用中值濾波技術(shù)減少誤差。超聲波發(fā)射與接收本系統(tǒng)采用的超聲波傳感器（換能器）是中心頻率為的專(zhuān)用型超聲波探頭和。因?yàn)槌暡ń邮掌鹘邮盏姆瓷洳ㄐ盘?hào)很微弱并含有干

8、擾信號(hào)，所以必須進(jìn)行放大調(diào)整。接收電路采用了兩級(jí)放大電路和波形整形電路，最后輸出到的計(jì)數(shù)控制電路的時(shí)鐘端。當(dāng)沒(méi)有接收到信號(hào)變化時(shí)，引腳是低電平；接收到第一個(gè)信號(hào)是方波脈沖信號(hào)的上升沿。為了消除干擾，采用了硬件濾波。）接收整形電路造成的時(shí)延也是誤差來(lái)源之一。參考文獻(xiàn)：潘松技術(shù)實(shí)用教程科學(xué)出版社，陳志斌，卓家靖基于單片機(jī)和的嵌入式脈沖發(fā)生器設(shè)，微計(jì)算機(jī)信息：宗光華機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐北京航空航天大學(xué)出版社，作者簡(jiǎn)介：劉建生，男，（），漢族，副教授，主要從事信息與計(jì)算科學(xué)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究：技術(shù)創(chuàng)新放大、整形、濾如圖所示。超聲波信號(hào)經(jīng)電壓提升、波后作為時(shí)鐘信號(hào)送入的計(jì)數(shù)器控制模塊。：，（），（贛州江

9、西理工大學(xué)理學(xué)院）劉建生程鐵棟楊麗榮（，），（投稿日期：）（修稿日期：）圖系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果本系統(tǒng)采用公司的的芯片和常用的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用自制的板對(duì)系統(tǒng)的距離測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證并和單片機(jī)單機(jī)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：室內(nèi)，室溫：；相對(duì)濕度：。；距離單位：；根據(jù)距離不同記錄下了次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)組（此處省略）取平均值，結(jié)果如下表：（接頁(yè)）結(jié)論系列單片機(jī)在視覺(jué)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中得到了很好的應(yīng)用，此視覺(jué)檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，它不但能對(duì)單幅面的圖像信息檢測(cè)和測(cè)量，而且其設(shè)備的高精度二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以從不同位置對(duì)物體進(jìn)行取像，由圖像處理單元對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)高精度拼接后進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量，其拼接過(guò)程由軟件自動(dòng)完成二次精密校準(zhǔn)和雙重加權(quán)圖像重建，圖像的測(cè)量不再依靠平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械精度。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是：視覺(jué)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大幅面圖像高精度的拼接參考文獻(xiàn)：陳茂勇郭西進(jìn)基于單片機(jī)的智能無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)微計(jì)算機(jī)信息，：作者簡(jiǎn)介：張永楓，男，長(zhǎng)春吉林人，副教授，研究方向：數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在每次實(shí)驗(yàn)的組數(shù)據(jù)中本系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)方差明顯小于單片機(jī)單機(jī)測(cè)量方差；每次實(shí)驗(yàn)中本系統(tǒng)