李義 倪時(shí) 王效波 張朱慶 張寶 朱玉奇
摘要:本文詳細(xì)介紹了對已開發(fā)出的測距系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件試驗(yàn)調(diào)試。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)在100mm~5000mm范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確測距,本課題的研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:測距;調(diào)試;精確
1引言
本課題來源于“江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”,最終研發(fā)出的測距系統(tǒng)采用超聲波技術(shù)。超聲波精確測距系統(tǒng)主要功能包括:
(1)超聲波的發(fā)射、接收,并根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間計(jì)算測量距離;
(2)檢測空氣溫度、濕度用于距離計(jì)算的補(bǔ)償;
(3)LED顯示器顯示距離、溫度、濕度;
(4)鍵盤接收用戶命令并處理;
(5)當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí),用電平式開關(guān)與上電復(fù)位電路復(fù)位。
本文所研制出的自動化傳感裝置,通過實(shí)驗(yàn)分析超聲波測距系統(tǒng)的性能和效果。
2精確測距系統(tǒng)
超聲波測距結(jié)構(gòu),如圖2.1所示,由系統(tǒng)處理模塊、驅(qū)動模塊、接收模塊、超聲波傳感器四大部分組成。
(1)系統(tǒng)處理模塊
系統(tǒng)處理模塊包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、溫度補(bǔ)償電路、濕度補(bǔ)償電路、鍵盤接口電路(人機(jī)接口電路)、LED接口電路、LCD接口電路、串行通信接口電路。
單片機(jī)最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制、運(yùn)算等功能,是整個測距系統(tǒng)的大腦。電源電路是系統(tǒng)心臟,為其他模塊提供穩(wěn)定電源。溫度和濕度補(bǔ)償電路分別為超聲波測距系統(tǒng)提供溫度和濕度的補(bǔ)償,從而獲得精確的測量結(jié)果。鍵盤接口電路增加了人機(jī)接口的功能,負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)與操作者之間的溝通,包括從操作者獲取指令、數(shù)據(jù)以及將測試結(jié)果反饋給操作者等。LED接口電路和LCD接口電路能夠?qū)崟r(shí)顯示測量數(shù)據(jù)。串行通信接口電路主要方便系統(tǒng)與其他控制設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換,便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。
(2)驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊,主要包括超聲波發(fā)射電路,其負(fù)責(zé)將單片機(jī)輸出的40KHZ信號放大輸出,驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭,將電信號轉(zhuǎn)化為超聲波信號。
(3)接收模塊。接收模塊,主要包括超聲波接收電路,其負(fù)責(zé)處理超聲波接收探頭取得的回波,將超聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號,反饋給CPU模塊。系統(tǒng)使用SONY公司的CX20106A集成電路對接收探頭接收到的信號進(jìn)行放大、濾波。
(4)超聲波傳感器。超聲波傳感器是超聲波測距系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本文超聲波測距選用的是壓電式收發(fā)分體超聲波傳感器T/R40-16,其特性:T-發(fā)射;R-接受;40-中心頻率;16-外殼直徑。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,通過軟件實(shí)現(xiàn)40K Hz方波的產(chǎn)生,利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器和外部中斷器檢測渡越時(shí)間。具體實(shí)現(xiàn)過程可以分為以下幾個步驟:(1)準(zhǔn)備檢測,用軟件生成40KHZ方波;(2)發(fā)射方波串,然后開始計(jì)時(shí);(3)判斷是否有回波,如果無就等待,反之則停止計(jì)時(shí);(4)讀取計(jì)時(shí)結(jié)果,計(jì)算出渡越時(shí)間t,根據(jù)渡越時(shí)間與當(dāng)前溫度下的波速,一起計(jì)算目標(biāo)物的距離。
3系統(tǒng)調(diào)試
開發(fā)出的測距系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的調(diào)試方式,進(jìn)行綜合調(diào)試并進(jìn)行測試試驗(yàn),得出部分試驗(yàn)數(shù)據(jù),并分析了測距誤差產(chǎn)生的原因。為保證系統(tǒng)正常工作,不僅需要保證硬件的設(shè)計(jì)和焊接沒有問題,還需要對硬件和軟件進(jìn)行調(diào)試。為了保證硬件電路與設(shè)計(jì)原理圖一致,以及電路板焊接沒有出現(xiàn)虛焊、漏焊等問題,必須對系統(tǒng)進(jìn)行電氣調(diào)試。系統(tǒng)電氣調(diào)試工具包括VICTOR VC890D數(shù)字萬用表、RIGOLDS5102CA示波器、12V*2A鑫威達(dá)HX008-1202直流電源等,系統(tǒng)的電氣調(diào)試步驟如下:(1)檢查電源系統(tǒng)工作,清潔穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)工作的前提。電源接口安裝在系統(tǒng)的左側(cè),通過電源給系統(tǒng)提供12V的供電電源。(2)用數(shù)字萬用表檢測電路板各部分電路,使之無虛焊、漏焊等現(xiàn)象,保證電路導(dǎo)通。(3)測試LED顯示等輔助功能運(yùn)行良好。首先,將四位數(shù)碼管顯示均調(diào)整為“0”;然后,根據(jù)每位顯示數(shù)值查表得到顯示段碼;最后,利用軟件編程,分別給數(shù)碼管賦值“0”至“9”,使LED對應(yīng)顯示相應(yīng)數(shù)字。(4)測試超聲波發(fā)射電路。調(diào)節(jié)超聲波發(fā)射電路時(shí),通過頻率計(jì)測超聲波發(fā)射端的頻率來調(diào)節(jié)可調(diào)電感知,使其諧振頻率精確在40K HZ。(5)測試超聲波接收電路。根據(jù)接收信號調(diào)整接收電路的電容和電阻,當(dāng)電阻為210KΩ、電容為47×103pF時(shí),系統(tǒng)能夠接收到較好的波形。當(dāng)系統(tǒng)接收到回波后,產(chǎn)生低電平脈沖,使單片機(jī)的T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),這樣就測出了超聲波往返所需要的時(shí)間,從而可以求出待測距離。用示波器觀察到的發(fā)射波可以看出,發(fā)射超聲波的同時(shí),來一個負(fù)脈沖,以此作為開始計(jì)時(shí)時(shí)刻,等接收到回波信號時(shí),再來一個負(fù)脈沖信號,從上圖可以直觀地看到兩外負(fù)脈沖間的時(shí)間差,這就是測得的超聲波往返所需要的時(shí)間。(6)進(jìn)行測距試驗(yàn),匹配補(bǔ)償參數(shù)。
4系統(tǒng)試驗(yàn)與結(jié)果分析
選擇墻面為被測物之后,為了增強(qiáng)測距儀的測距準(zhǔn)確信,又再次用行道樹作為試驗(yàn)。測距儀平放在平整的小凳上,針對1株行道樹重復(fù)進(jìn)行測距試驗(yàn)。在環(huán)境溫度32℃時(shí),測距儀平放在小凳上,在有溫度濕度補(bǔ)償?shù)那闆r下,針對1株行道樹重復(fù)進(jìn)行3次距離測試。利用精度為1mm的鋼制米尺測量下表中實(shí)際距離,分別在距離靶標(biāo)50mm、100mm、500mm、1000 m、2000mm、3000mm、4000 mm、5000 mm進(jìn)行系統(tǒng)測試,得到測距結(jié)果:三次測量的平均測量值為27.67mm、48.33mm、99.00m、498.67mm、999.33mm、1997.00mm、4037.3 3mm、5047.33mm。試驗(yàn)結(jié)果分析:一是測量距離對測量精度影響較大。當(dāng)測量距離小于100mm時(shí),測量相對誤差較大;當(dāng)測量距離大于100mm時(shí),測量相對誤差在1.00%之內(nèi)。二是當(dāng)測量距離在100mm~5000mm時(shí),測距儀重復(fù)測量結(jié)果相對穩(wěn)定,重復(fù)測量結(jié)果之間差距不大,特別當(dāng)測量距離在500mm~3000m時(shí),重復(fù)測量結(jié)果更加穩(wěn)定準(zhǔn)確。因此,通過上述測試可知,通過溫濕度補(bǔ)償,在100mm~5000mm范圍內(nèi)測距的相對誤差在1.00%以內(nèi),能滿足測距系統(tǒng)的精度要求,特別在500mm~3000mm范圍內(nèi)測量精度更高。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于超聲波技術(shù)的精確測距系統(tǒng)。通過查閱相關(guān)的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料,充分利用現(xiàn)有的試驗(yàn)條件,在深入研究超聲波測距理論的基礎(chǔ)上,根據(jù)測距所要求的技術(shù)指標(biāo),提出了超聲波測距系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案,試驗(yàn)表明,該系統(tǒng)在100mm~5000mm范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測距,并具有LED實(shí)時(shí)顯示功能。endprint