基于CPLD和单片机的高精度超声波测距研究

1、设计与应用文章编号：（）中文核心期刊微计算机信息（嵌入式与）年第卷第期基于和单片机的高精度超声波测距研究（江西理工大学）刘建生，程铁栋杨丽荣摘要：提出了一种基于和单片机的高精度超声波测距的设计方案。测距中的时间是通过高精度的晶体震荡器作为时钟信号源来进行计数测量。同时使用代替常用的单片机的纯软件方法实现动作控制，以减少误差。在电路设计中，充分考虑了延时所造成的误差并予以克服。关键词：；单片机；超声波测距中图分类号：文献标识码：技术创新：，：，引言以往利用超声波测量距离往往采用单片机单机系统（由单片机软件控制发射、接收及计数器的关停与启动），这种方法所带来的误差在厘米级。原因主要有：单片机计数器

2、频率较低造成的误差；计数与发射信号由软件控制动作而产生的不同步；超声波传感器接收到信号与单片机检测到信号之间不同步等。本文给出一种以为控制核心的基于超声波测距原理的测量方法。经过制版测试，所得结果提高到毫米级，而且电路原理较为简单。系统结构及原理总系统框图如图所示。系统由控制电路模块、单片机控制模块（包括温度传感器和显示部分）和超声波传感器模块（包括信号的发送，接收与整形）组成。控制电路模块通过控制超声波发射器发射超声波到固定端面，同时启动高精度计数器开始计数。超声波波前经反射后由接收端接收，当接收到第一个反射波信号即停止计数，并将计数器值送入单片机。单片机根据计数器值计算出时间间隔。再经过温

3、度修正计算出超声波速度，最后利用（）式计算出发射器到反射点的距离，并显示结果。超声波测距的原理超声波测距的原理一般采用回波测距法，即测量超声波发射到遇到障碍物返回的时间间隔，然后根据（）式计算距离值。（）式中，距离；声波在介质中传输速率；声波传输的所经历的时间。声波在空气中传输速率为：!式中，绝对温度；。（）本文给出的系统以为核心来控制超声波的发射，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播遇到障碍物时则返回。当检测到第一个反射波时立即停止计时，测得时间。刘建生：副教授图模块设计模块包括个部分，分别为位计数器，例元：设计与应用使为低电平，此时状态机进入状态，并向单片机发出信号通知单片机读取计

4、数器数据。有限状态机描述如下：标准方波发生器，四选一数据选择器，计数器控制电路和一个简单的有限状态机。其内部框图如图所示。工作原理：有限状态机输出清零信号后，置为高电平，触发器在下一个时钟脉冲下降沿置端为高电平。使能信号控制计数器开始计数，同时打开缓冲门让方波信号驱动发射超声波。整形接收电路对接收器接收到的波前进行整形并输出一高电平到计数器控制电路，此低电平作为计数器控制电路的时钟信号。控制电路在时钟信号到达后引脚输出一低电平使使能信号，关闭计数器和方波驱动的发送。有限状态机等待单片机取走计数值后开始下一个循环计数工作。位标准频率计数器此处采用的晶体震荡器作为标准频率信号源。这一频率精度影响系

5、统的测量精度。计数和发射动作同时进行。因为一个脉冲的周期为，假定超声波的速度为，一个脉冲丢失造成的误差仅为。计数器模块结构简单，描述如下：（）；：（，）：（）；计数器控制电路触发器在信号置以后，在时钟信号的上升沿使端输出高电平。同时此高电平被使能信号送入超声波发射器。此波前被固定端面反射后有半波损失，到达接收应产生度相移。当计数器控制电路的时钟信号由低变为高电平时，在时钟信号的上升沿输出，停止计数器计数。计数器控制电路描述如下：技术创新（，）：；数据选择器多路数据选择器的数据选择信号线由单片机的两个引脚控制。在单片机两个引脚上的不同逻辑组合输入下，模块将位数据逐次送入单片机。数据选择器的描述语

6、言如下：图有限状态机状态机状态转换图如图所示。和单片机的握手信号直接取自的方波驱动信号，以确保同步性。当系统复位或接收到单片机发出的读数据完成信号有效时，状态机进入状态同时清零并置为低电平。在下一时钟状态机进入状态，同时置，启动触发器开始发射方波信号并计数。当反射波波前到达接收电路后计数器控制电路（）”（）”（）”（）”（）单片机控制模块单片机控制模块硬件包括距离显示、模块接口、和读取温度三部分。单片机显示电路较为简单，在此不做介绍。单片机和模块接口控制由软件实现。由状态机发送过来的信号设置为技术应用例：元年设计与应用中文核心期刊微计算机信息（嵌入式与）年第卷第期外部中断，单片机完成一次距离显

7、示后即开中断接收下一组计数器数据。用于温度补偿的温度测量传感器采用的一线式传感器。它具有接口简单（仅须一根数据线）测量范围广、精度高的（在不适合户外使用。）超声波波长在左右，如果干扰造成接收电路误动作造成的误差至少是。所以接收整形电路的稳定性、有效性极其关键。超声波适用于测量较长距离。内精度为±）特点。在温度变化范围不大的场合单片机得到温度值后，可以通过查表实现声波在空气中传输速率的测量。）对于距离不发生突变的场合，单片机软件可以利用中值滤波技术减少误差。超声波发射与接收本系统采用的超声波传感器（换能器）是中心频率为的专用型超声波探头和。因为超声波接收器接收的反射波信号很微弱并含有干

8、扰信号，所以必须进行放大调整。接收电路采用了两级放大电路和波形整形电路，最后输出到的计数控制电路的时钟端。当没有接收到信号变化时，引脚是低电平；接收到第一个信号是方波脉冲信号的上升沿。为了消除干扰，采用了硬件滤波。）接收整形电路造成的时延也是误差来源之一。参考文献：潘松技术实用教程科学出版社，陈志斌，卓家靖基于单片机和的嵌入式脉冲发生器设，微计算机信息：宗光华机器人的创意设计与实践北京航空航天大学出版社，作者简介：刘建生，男，（），汉族，副教授，主要从事信息与计算科学专业的教学与研究：技术创新放大、整形、滤如图所示。超声波信号经电压提升、波后作为时钟信号送入的计数器控制模块。：，（），（赣州江

9、西理工大学理学院）刘建生程铁栋杨丽荣（，），（投稿日期：）（修稿日期：）图系统测试结果本系统采用公司的的芯片和常用的单片机实现。采用自制的板对系统的距离测量进行验证并和单片机单机测量系统测量数据进行比较。实验环境：室内，室温：；相对湿度：。；距离单位：；根据距离不同记录下了次实验结果。每次实验测量数据组（此处省略）取平均值，结果如下表：（接页）结论系列单片机在视觉检测运动平台的设计中得到了很好的应用，此视觉检测平台结构简单，功能强大，它不但能对单幅面的图像信息检测和测量，而且其设备的高精度二维运动平台可以从不同位置对物体进行取像，由图像处理单元对图像实现高精度拼接后进行检测和测量，其拼接过程由软件自动完成二次精密校准和双重加权图像重建，图像的测量不再依靠平台运动的机械精度。本文作者的创新点是：视觉检测运动平台的设计，实现对大幅面图像高精度的拼接参考文献：陈茂勇郭西进基于单片机的智能无功补偿控制器的设计微计算机信息，：作者简介：张永枫，男，长春吉林人，副教授，研究方向：数据结果表明，在每次实验的组数据中本系统测量数据方差明显小于单片机单机测量方差；每次实验中本系统