超声波测距与无线传输系统_第三组(2)

2、40KHz方波产生

方案一：单片机产生，该方案既可以采用单片机定时器产生40KHz方波，又可以对单片机晶振分频得到40KHz方波，但是这两种方法都有一个共同的缺点：频率误差大。这样就可能导致超声波发射器达不到最大功率，使测量范围受到影响。

方案二：采用NE555产生40KHz方波，该方案产生的方波稳定，且可以通过单片机控制其输出，在后级加上非门可加大发射功率，从而间隔产生超声群。

综合考虑，使用方案二。

3、距离测量

方案一：相位检测法；通过比较发射波和反射波的相位，推算出时间t，进而得出距离。此法精度高，但检测的范围有限。且要做到精确的相位检测，硬件

电路相当复杂。

方案二：声波幅值检测法；检测回射波的幅值。在发射功率一定的情况下，回射波幅值随测量距离的增大而衰减，而回射波幅至的大小将直接影响测量的精度。此法易受反射波的影响，反射回波幅值的大小直接影响者测量的精度，在发射功率一定的情况下，随着测量距离的增大，反射波幅度衰减较大，不易测量。因此该方案只适合粗略测量，精度达不到题目中的要求。

方案三：频率检测法，发射电路发射超声波群并开始计时，接收回路使用锁频器，当接收到40KHz，锁相环会对该频率进行跟踪获取处理，并输出相应的电平跳变。但在实际中接收波中含有不可控的杂波，也有40KHz，使得电路的检测很不可靠，故此方案不可取。

方案四：度越时间检测法；检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即度越时间。度越时间与超声波在气体中传播速度相乘即得声波传播的距离。此法不用考虑反射信号的大小，只检测反射信号的有无，通过精确的定时，即可求出距离。适当的增大发射功率可测量较长的距离。

要做到一定精度的定时，可采用对较高频率脉冲计数的办法；对反射信号的检测只用检测其有无，不检测其大小，因此硬件电路将大大简化。另外通过实时1测温，得出当前温度，从而算出当前声速。利用L vt就可以得到相当准确的2

结果。

鉴于以上分析，我们选用方案四。

4、扫描方案

方案一：步进电机，将超声波探头固定在步进电机上，用步进电机带动其扫描，步进电机有比较精准的控制角度，但该方案在实际是须得每次测量时对系统进行校准，且人为校准误差较大。

方案二：使用舵机控制，该方案控制简单灵活，每一个脉冲便有一个方向角，且可以让其固定在90内转动，可操作性较好，且功耗较小。

综合考虑，使用方案二。

二、系统总体设计方案及实现方框图

整个系统由两单片机构成，使用nRF905实现两单片机间的通讯，其中一片单片机负责超声波的发送控制、时间计算和温度采集，另一片单片机负责显示、报警和键盘信号的发送，而两个单片机由不同的电源系统供电，系统的方框图如下所示：

三、理论分析与计算 1、渡越时间测量法原理

检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。考虑实际情况，采用异地脉冲反射式来测距，即需测距离式声波传输距离的一半：

1L vt 2

式中，L为待测距离，v为超声波的声速，t为渡越时间。由下式计算测量误差 L t t

式中， L为测距误差， 为声速， t为时间测量误差， 为声速误差。若要求测距误差小于0.01m，已知声速 ＝344m/s(20℃时)，忽略声速误差，那么测量时间的误差：

t L0.01 0.00003s 344 （6）

系统使用MSP430的脉冲计数的方法，间接测量时间，可以把声波的时间精度提高到所需的准确度，也就是把超声波往返时间转化为对计数脉冲个数N的测量，所以上式可写成：

L NS/2

式中，s为等效标尺，s vf，f为计数脉冲的频率，v为声速，所以 L Nv2f

在本系统中，计数脉冲的频率f 2MHz。

2、温度补偿

测距所用公式为：l ，其中l为障碍物至探头的距离，t为超声波从发射到接收所用的时间，v为声波在介质中传播的速度，遵循如下计算公式：

s，T为摄氏温度 当环境温度发生变化，v也会变化，若计算时不考虑温度的影响而采用固定的v值，则会引入误差，故系统加入DS18B20实时测量环境温度，对v的值进行补偿，从而减小误差。

3、盲区及发、收时序

由于电声换能器的电气阻尼振荡和机械阻尼振动共同作用下，产生余振阻尼衰减信号，在换能器由发射状态转入接收状态后，首先接收到的信号是这种余振信号（绕射）

，在此信号衰减到足够小的时间内，换能器接收到的回波信号与阻v

尼衰减信号叠加混淆，使电路鉴别不出真正的回波。在这段时间内收到的回波，系统应对其进行屏蔽，以免发生误判。这样就导致了盲区的产生。

工作时序示意图如右：

其中a脉冲为发送端的置位

脉冲，同时作为计时器的起始脉

冲；b脉冲为虚假脉冲(由绕射产

生，应避开)；a 、b的时间间隔

为盲区；c脉冲为接受端接收到的

有效回波脉冲，用于停止计时器

的计时。程序的主要任务就是检测a 、c

时间，再由数据处理、修正单元计算出实际距离。

四、主要功能电路的设计

1、超声波发射部分

经测定，所用的超声波探头在41.3KHz时震荡最强，即为其中心频率，故使用NE555产生该频率的的脉冲波，用MSP430控制RET端口，从而产生脉冲群。为了加大发射功率，系统采用非门，电路如下所示，方波信号经过一级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽式将方波信号加到超声波换能器两端以提高发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS14输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短自由震荡时间。

2、超声波接收电路

要将超声波探头微弱的信号完整的读进来，在前置电路里，要进行高的输入阻抗的设计，考虑到超声波探头的阻抗很高，所以这里前级选用电压跟随器，电压跟随所用的芯片为LF357,另接收头处采用了100k 的电阻进行并联，同时为了减小接收余震的影响，在接收端并联了0.15 F的电容。

传感器接收到的信号中，除了障碍物发射的回波外，总会有杂波和干扰脉冲等环境噪声。须得进行，滤处接收的后级采用了FET高输入阻抗的运放，系统采用红外/超声波专用接收芯片CX20106A，内含前置放大、限幅放大、宽频带滤波器、检波器、整形和滞后比较器。通过外围电路可调整其参数，从而很好的

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