毕业设计（论文）- 基于ARM的超声波测距模块开发

毕业设计（论文）

基于ARM的超声波测距模块开发

第一章 概述..................................................1
1.1 课题来源....................................................1
1.2 超声检测技术简述............................................1
1.2.1 超声波检测............................................1
1.2.2 超声检测误差来源......................................2
1.3 系统任务和要求..............................................3
1.4 系统方案设计................................................3
1.5系统开发意义及应用..........................................4
第二章系统原理分析................................................5
2.1 超声波检测系统分析..........................................5
2.1.1 超声波测距原理........................................5
2.1.2 温度补偿原理..........................................5
2.2 超声波检测预备知识..........................................6
2.2.1 超声波的应用..........................................6
2.2.2超声波传感器..........................................7
第三章系统总体设计...............................................11
3.1 智能测量模块总体设计.......................................11
3.1.1 超声传感器的选择.....................................11
3.1.2 超声信号的处理.......................................12
3.2 系统模块电路设计...........................................13
3.3 系统通信总体设计...........................................13 3.3.1 串行通信基本概念.....................................13 3.3.2 串行通信过程.........................................14
4.1.2 液晶显示器...........................................16
4.1.3 超声波传感器.........................................16
4.2 超声波检测模块.............................................17
4.2.1 超声波收发分体回路设计...............................17
4.2.2 超声波收发一体回路设计...............................19
4.3 液晶模块...................................................20
4.3.1 FYD12864-0402B 液晶模块介绍..........................20
4.3.2 FYD12864-0402B 液晶模块的应用........................21
4.4 串口通信模块...............................................21
4.4.1 串行通信协议.........................................21
4.4.2 串行通信总线标准接口.................................21
4.5 温度补偿模块...............................................22
4.5.1 温度传感器DS18B20原理...............................22
4.5.2 DS18B20 与ARM接口电路...............................22

第五章系统软件设计...............................................244.6 电源模块...................................................23

5.1 系统程序总体设计...........................................24

5.2下位机程序设计.............................................25第六章系统测试...................................................296.1系统操作...................................................306.2测试结果分析...............................................31第七章系统展望...................................................33结束语.............................................................34致谢.............................................................34参考文献...........................................................35附录一、系统PCB图.................................................37附录二、整机实物图.................................................37附录三、主要程序代码...............................................38附录四、翻译.......................................................41

第一章 概述

1.1课题来源

超声波测距技术是近年来出现的测距新技术[1],是一种非接触的检测方式,和红外、激光及无线电测距相比,它具有结构简单、可靠性能高、价格便宜、安装维护方便等优异特性,在近距范围内超声测距具有不受光线、颜色以及电、磁场的影响,在恶劣作业环境下有一定的适应能力[2]。因此利用超声波测距在实现定位及环境建模场合,如:液位、汽车防撞雷达、井深及管道长度测量、机器人定但传统的超声波测距仪测量精度普遍位、辅助视觉系统等方面得到广泛的应用。

较低,都不能满足高精度测量的要求。为了克服此不足,作者从测距仪结构设计和回波信号处理的角度出发,提出了基于回波包络峰值[3]的检测方法，从而进一步提高测距仪超声检测的精度、系统的稳定性和抗干扰性对。本设计是基于ARM来实现的。

1.2.1 超声波检测 1.2 超声检测技术简述

范围在20Hz～20kHz之间，频率低于20Hz的波称为次生波，而高于20kHz的波

称为超声波，频率高于109Hz的波称为特超声波[4]。声波频率界限如图1-1所示。

超声波检测中常用的工作频率在0.25～20MHz范围内。

图1-1声波频率界限

由于超声波具有的这些良好的品质，超声波的研究和应用已经渗入工业、农

业、国防、医学以及航天和航空等领域并且取得了卓有成效的进展[5]。甚至有人认为超声技术可以和电子技术、信息技术以及核技术相媲美，是一门具有广阔发 展前景的高新技术。

1

1.2.2超声检测误差来源

本系统采用渡越时间法进行物位测量，通过不断检测超声波发射后遇到被测界面所反射回来的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出待测物位到传感器的距离L,在已知声速v的情况下，不难得出：
L=0.5vt （1）下面对影响超声波距离测量精度的因素进行逐一分析。

（1）声速
从式(1)可以看出，必须知道声波在媒质中的传播速度v，才能从传播时间求出待测距离，但是各种媒质有不同的声速。因此，在实际测量时，很难把声速看成一个不变的恒量。当媒质的成分、温度、压强等因素都没有很大的变化，而且测量精度要求又不很高的情况下，把声速当作不变的方法才能勉强满足测量要求，否则就应该进行声速校正。

在多数情况下，温度是影响声速的一个重要因素，例如在空气中声速理论公

式为： vt 0 . 0005T2 （2）

响较大。所以，应进行温度补偿。通常情况下，可在设备中安装温度敏感元件，
采用适当的补偿电路，利用敏感元件的输出信号来对声速进行校正。

（2）硬件响应时间
硬件电路是有一定延时的。例如滤波电路一般在几十微秒左右。另外超声物 而ARM系统的延时，相对来讲也比距测量系统中广泛采用ARM来检测渡越时间，
较大。
例如利用ARM的外部中断来检测回波触发信号。尽管它己经被设置为最高的中断优先级，并且不会被其他的中断所阻碍，但是中断响应是需要一定时间的。

（3）触发时间
一般来说，以接收信号的幅值超过我们规定的阈值时的时刻作为停止计时信号[6]。当待测物位发生变化时，接收电路输出信号的幅值就发生变化，距离近输 出信号幅值较大，此时在回波信号的第二周幅值就有可能超过规定的阈值，进而

2

发出停止计时信号，距离较远时，输出信号幅值较小，回波信号的第3周（甚至第4周)幅值才有可能超过规定的阈值，并发出停止计时信号。从理论上讲，停止计时信号应在图中的a点发出，由于阈值的存在，而实际停止信号是在下图中的a点之后的某一时刻发出。并且发出的时刻（时间检出点）是随物位的变化而变化，这种“时间检出点”的变化就产生了物位测量的误差。

1.4系统方案设计

超声波测距技术在工业生产和科学研究中得到广泛的应用。超声波测距电路多种多样，甚至已有专用超声波测距集成电路[７]，但是有的电路复杂，技术难度大，有的调试困难，专用集成电路的成本很高，操作很不方便。目前，国内的 超声波测距专用集成电路的精度只能达到厘米级，可以满足一般工业测量的要求，

3

但对于一些精度要求较高测距场合就不合适了。

本测距系统是基于ARM开发的，抗干扰性强，利用超声波测距原理，结合ARM

的数据处理，测量精度可以达到毫米级。串行通信、LCD显示于一体。串行通信

功能可以使系统和PC机进行通信；LCD显示功能用于显示测量数据。

本系统采用渡越时间法测量超声波，所谓渡越时间法可以表述为：设超声波

发射传感器到目标障碍物的距离为L，超声波在空气中的传播速度为v，超声波

从发射到接收传感器接收所经历的渡越时间为t，则L=vt/2。

其中该系统中超声波的往返时间间隔由ARM通过外部中断定时获得，并将

定时结果通过软件的算法算出最终距离，将最终结果通过ARM送液晶显示。再

通过RS232串口通信，将测得数据送给上位机显示，实现对数据的实时监控。

为了充分利用ARM中的资源，尽量降低测距系统的成本，系统采用ARM控制

产生40kHz的方波信号，驱动超声波传感器，为了增强测距范围，在发射部分

增加信号功率发大电路，为了进一步提高发射信号的功率[８]，从而提高测距范

低廉，由于超声波在传播的过程中有很大程度的衰减，当到达超声波接收传感器围。在对接收信号的处理，系统采用了电压跟随、放大、电压比较的方案，成本

环境温度，并对超声波传播速度进行修正。

为了便于实时检测、控制，可以将测量到的数据每次距离变化时通过串口传

送给上位机，上位机可对测量到的数据进行相应的数字信号处理。

1.5系统开发意义及应用

超声波检测与控制技术是以超声波作为采集信息的手段，能在不损坏和不接

触被测量对象的情况下探测对象。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个

参数，超声波测距是一种很有效的测量方法，有着广泛的应用。但目前的超声波

测距系统存在着精度低，盲区大及测量数据不稳定等问题。针对上述缺点，作者

设计了独特、有效的盲区消隐和接收信号处理方法，并进行温度补偿，从而提高

了测量精度和灵活性；以ARM作为控制中心，研制了智能化、便携式超声波测量

系统。该系统的各种技术指标均能达到工程应用的要求，具有很大的市场潜力。

4

第二章 系统原理分析

2.1超声波检测系统分析

2.1.1超声波测距原理

本系统以ARM为核心，由ARM控制定时发出方波信号，同时准备接收。发

射机产生40KHz左右的脉冲信号，经放大后驱动超声波传感器，方波信号经超

声波传感器转换为超声信号向障碍物发射。超声波信号在介质中传播遇到待测物

体表面时，由于不同介质的反射性能差异很大，对超声波的传播影响不同。其发

射波被接收电路接收时，转变成电信号，该信号经相应地选频、检波、放大后，

再进行信号判别，给ARM相应的触发信号，ARM对接收数据进行处理，并参

照发出控制脉冲的基准时间，得出超声波在介质中的传播时间。其基本检测实现

2-1智能测量模块系统图

2.1.2温度补偿原理

常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中传播速度为

v rRTm/s，式中为气体摩尔质量；r为气体的比热比；R为气体常数；

T为热力学温度。对于一定的气体r、为定值。由公式可知：声速与热力学的

平方根成正比。温度越高声速越大，温度越低声速越小。必须考虑温度对超声波

5

为了便于ARMC语言编程，现用数学软件Matlab编程实现对公式的简化，运用Matlab多项式拟合编程实现如下：
t=0:0.01:100; %拟合的温度范围
v0=331.42*(1+t/273).^0.5; %声速与摄氏温度的理论公式
v=polyfit(t,v0,3); %拟合出的声速与温度多项式
fv=polyval(v,t);
subplot(1,2,1)
plot(t,v0,'.',t,fv,'-r');
gtext('蓝色曲线为理论速度曲线');
ylabel('速度V0((m/s)');

subplot(1,2,2); xlabel('温度 t(℃)');

ylabel('速度 V(m/s)'); 图2-2拟合曲线和理论曲线比较
xlabel('温度t(℃)');
运行Matlab程序得出的拟合声速与摄氏温度曲线与理论上声速与摄氏温度
曲线对比图2-2。运行程序后，可得拟合声速与摄氏温度的关系：

vt0. 0005t20. 6066t331. 422m/s。

于是，通过传感器测的空气中的温度代入上述公式，即可得到超声波在空气中的传播速度，再检测出超声波在空气中传播的时间T，便可得到超声波在空

2.2超声波检测预备知识

6

超声波传感器是利用超声波特性而研制成的传感器，超声波传感器技术已广泛用工业、国防、交通、生物医疗和家庭领域[９]。超声波技术的应用如下表所示。

2.2.2超声波传感器

（1）超声波传感器原理
超声波传感器有两种工作方式：直射式，反射式。反射式超声波传感器的工

图2-3超声波传感器的工作原理(2)超声波基本特性

1.频率特性。图2-4是某超声波发射器的频率特性曲线，为发射器的中

心频率，在该频率处，发射器所产生的超声波最强，即超声声压能级最高，而在

7

知超声波具有较好的选频特性，其特性优势与并联电阻R有关。

图2-5超声波接收器的频率特性

的时间分辨率和较低的频率分辨率。因此，可以利用小波分析法对接收到的回波

信号进行分析、去噪，获得更加平滑、有效的回波包络曲线，进而可以利用峰值

检测法准确计算出回波前沿的到达时刻。我们在这里采用Morlet复小波。因为当

其形状控制参数取较小值时。在几何形状方面,它较其它类型小波函数更加相似

于接收回波波形。根据小波分析的最大匹配原则，当子波与所分析的号在几何形

状上越相似时，利用该子波提取到的信号特征就越准确。Morlet复小波函数的数

式中j= - 1，β为形状控制参数，当取β=1时，其实部、虚部及模如图2-7所示。

图2-8回波包络峰值检测波形

从图2-7可以看出,复小波函数的模可完全平滑地包络其实部和虚部。因此，

利用复小波函数的模便可很容易获得回波信号的小波包络分析。回波信号经小波

包络运算处理后,可以帮助剔除环境噪声信号,获得更平滑、理想的回波包络曲线。

利用包络峰值检测原理对小波包络后的回波信号分析处理,从而准确计算回波前

9

沿的到达时刻。

②回波信号的包络峰值检测
根据小波分析理论提出一种新的确定回波前沿的计算方法，即回波信号的包络峰值检测法。通过示波器对回波波形进行观察,可以发现对同一探测物,不同传播距离的回波包络线都有较好的一致性，回波波形都大致相同，只是波幅不同，并且同一距离时的不同类型探测物的回波波形也大致相同，只是波幅不同。从工程精度考虑，
可以认为超声回波幅值包络线的形状基本不随回波信号的大小而变化。即回波信号包络峰值所对应时刻b与回波前沿到达时刻a间的时间差(b- a) 不随探测物远近的变化而变化。而时间差(b- a)也容易通过实验计算出来。

可将接收回波信号的包络峰值所对应的时刻b作为停止记数的时刻,用回波包此，
络峰值所对应时刻与回波前沿到达时刻的时间差(b- a) 就可消除由于时间检出点变化所引起的测量误差。

回波信号在进行线性包络检波之后，在分别通过微分电路、零点交叉检测，

值时间点的检测方法与信号振幅无关,故具有优良的传输时间检出特性。 包络峰最后进入ARM外部中断0的入口，从而完成传播声时的准确计时。因为采用包络峰

增加成指数规律增加的电路。在计数器开始计时的时刻，AGC电压开始随时间
增加而增加,在检测到回波脉冲后清零。零交叉点检测可以保证回波到达时刻不
受回波大小变化。采用鉴宽电路可以抑制偶然的尖峰干扰信号，使尖锐的干扰信
号被鉴宽电路挡住而不能到达电平比较电路。因此，采用包络峰值检测可以保
证回波前沿的准确到达时刻。

接收器等待发射脉冲第一个回波的同时，通知定时器/计数器T0在微处理器的外部中断接收到回波到来信号，T0计数器停止计数。ARM一旦识别到的第一个回波到达时,便发生中断，终止内部计数器计数,并对计数器中的数据进行程序处理。ARM通过内部设定程序的运算，可以算出超声波传感器到当前的障碍物

第三章 系统总体设计

3.1智能测量模块总体设计

利用第二章讲述的测距原理，作者设计了超声波测距系统，它的作用是检测

当前障碍物的距离，并将测得的结果实时地在液晶上显示出来，并可将检测得到

的数据值通过RS232/485网络传送给上位机控制器。

图3-1超声测距原理框图

由图可看出该系统共有5个模块组成：超声波发射模块、超声波接收模块、

温度补偿模块、液晶显示模块、串行通信模块。对于具体电路模块的介绍见以下

章节。

3.1.1超声传感器的选择

超声检测精度取决于检测方法、仪器和超声换能器性能。目前在低超声频段

(20~100kHz)，喇叭辐射面的面积比棒状换能器大，所以辐射面的声强较低，与

其粘结的不锈钢板表面空化腐蚀小。在本系统中采用喇叭状换能器，这种换能器

尤其在较高频段{40kHz以上)，其优点更为突出。因为它可以削弱横向振动所带

来的不良影响，频带也较宽。在选择中，要综合考虑超声接收换能器各项参数指

11

就会引起驻波，使波形模糊。

3.1.2超声信号的处理

系统的性能受背景噪声的限制，从抗干扰的角度来说，应充分利用信号场

与干扰场在时--空统计特性上的差异，对超声信号进行处理，以便最大限度地获

得增益。

1．信号的放大和噪声的抑制。由于从接收换能器传来的信号很微弱，又存

在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是首先必须考虑的。通常使用低噪声

晶体多级调谐放大器完成此项任务[11]。在检测过程中，由于工作频带窄，故应

按功率匹配，使前置放大器的输入阻抗与换能器输出阻抗的数值相近。通带中心

频率等于信号频率。这样环境噪声中的绝大部份能量就被阻挡在通带之外了，但

对通带内的噪音抑制则无能为力。可以通过增加发射功率和提高接受基阵的方向

性来提高信噪比，使这个问题得到改善。

数规律)来控制接收机增益的时间，增益控制界(TVG)对出现在接收机输入端的2．混响及其抑制。通常较简单的抑制混响方法是使用一定时间规律(例如指

(AGC) [12]。

3．回波信号的处理。回波信号的包络通常是不规则的，不便对它进行数字

处理，所以对它整形是必要的，整形电路形式多样，可以是单稳态电路，也可以

是施密特触发器或其它电路。

为了进一步滤除噪声及混响的影响，可设置一门限检测阈值，该门限电平一

般大于噪声的均方根值。当信号超过阈值时判断为有目标回波，若阈值过高，只

有强信号才能被检出，这样检出概率就降低；若阈值过低，信号超过阈值的机会

多了，但同时噪声超过阈值的机会也多，则检出的有用信号夹杂的噪声就会增多。

4．对目标回波信号的进一步处理。进行数字滤波和计算，求从发射信号开

始到收到目标回波为止的深度(距离)历经时间值，并将它转换成深度(距离)值，

换能器的接收端接收的信号比较弱，另外由于换能器本身的特性和声程中随机干

扰、传播介质的非均匀性等造成的信号时延抖动是随机的，包含很多的噪声信号。

又由于超声波的传播介质中存在很多不确定的因素，难以抑制，这样势必影响检

测精度。对超声信号的模拟处理首先我们对信号的输出端进行隔离，防止回波产

生，在混波信号中选取其中有用信号，滤除无用的噪声信号，防止驻波干扰。在

简单的模拟化处理后，从软件上对信号进行数字化的处理。

本系统中数字信号处理是在ARM中用程序来实现的。在此，作者采用平均滤

波法，去除最大值和最小值后，将几个采样信号的平均值作为一个信号值，这样

就能将信号中的瞬时干扰噪声减小。选用多少采样信号求其平均值，是根据信号

频率及噪声的特征来确定的。同时也应用程序判断滤波法，从程序的角度判断有

用信号，将无用信号滤除，通过仿真实验证明，通过以上的信号处理方法能有效

的保证超声信号的重现，失真程度也很小。

图3-1主机控制器总结构框图

3.3系统通信总体设计

3.3.1串行通信基本概念

（1）数据通信的基本概念

系统在实际工作中，像上位机的CPU与外部设备之间常常要进行数据交换

一样，为了通过上位机对系统进行实时控制，将系统测得数据实时传送给上位机，

13

所有这些信息交换均可称为数据通信。本系统采用的是串行数据通信方式，接口

为RS232串口，实验证明这种通信方式简单易行，符合本系统要求。

（2）串行通信

在串行通信过程中二进制数字系列以数字信号波形的形式出现。不论接收还

是发送，都必须有时钟信号对传送的数据进行定位。接收/发送时钟就是用来控

制通信设备接收/发送字符数据速度的，该时钟信号通常由处理器内部的时钟电

路产生。在接收数据时，接收器在接收时钟的上升沿对接收数据采样，进行数据

位检测;在发送数据时，发送器在发送时钟的下降沿将移位寄存器的数据串行移

位输出。如图3－2所示:

备同步，即同步发送设备和接收设备的工作节拍相同，以确保发送的数据在接收

端被正确读出。

3.4系统通信软件设计

系统通信软件由下位机、主机控制器通信软件和上位机控制软件三部分组成。

下位机通信软件功能主要是接收主机控制器发送过来的信号，针对各下位机

地址发送应答信号，再根据主机控制器发来的控制信号做出相应的反应，随后发

送主机控制器所需数据。其通信功能使用了ARM的串行中断和查询收发状态标志

位的方法实现。下位机平时对各监控点的进行数据采集并定时存贮，当有串行中

断时执行串行中断服务程序，判别是否为本机的地址信息，地址信息与本机地址

相符时，转为接收控制命令，并执行相应的操作；地址信息与本站地址不符时则

退出中断。下位机通信流程图如图3-4所示。

14

图3-4下位机通信流程

主机控制器的通信软件实现功能主要包括呼叫各从机，并向各机发送查询控

15

第四章 系统硬件设计

4.1关键器件选择

4.1.1嵌入式ARM微处理器LPC2131

（1）嵌入式ARM微处理器LPC2131概述

LPC2131是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STMCPU[15]，

带有32kB、64kB和512kB嵌入的高速Flash存储器[15]。128位宽度的存储器接口

和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行[17]。多个32位定时

器、1个或2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边

沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统[18]

（2）嵌入式ARM微处理器LPC2131主要特性[19]

①2个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6

路输出）和看门狗。

kbit/s）、SPITM和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。
②多个串行接口，包括2个16C550 工业标准UART、2个高速I2C 接口（400

4.1.2液晶显示器

液晶显示器(LCD)凭借其功耗低、图形美观等多种优势，在仪器仪表产品中

得到越来越多的应用，FYD12864-0402B是一种多功能的LCD驱动器,可以用软件

的方式设定系统功能，由于选择的是串行数据传输方式，所以FYD12864-0402B和

ARM之间只需要6根线的接口。

4.1.3超声波传感器

本测距系统中的超声波传感器[20]采用生产的T40-16（送信用）和R40-16(受

信用)的压电陶瓷传感器[21]。下图为超声波传感器的型号说明：

图4-1超声波传感器型号说明

4.2超声波检测模块

超声波检测模块主要包括发射超声波产生、超声传感器驱动部分、超声回波

的接收放大、滤波、信号比较电路。根据所选超声波传感器的类型及个数，超声

波检测电路可分为：收发分体回路和收发一体回路。下面对两种方案进行介绍。

4.2.1超声波收发分体回路设计

该方案采用一对单收、单发型超声波传感器。发射电路主要由超声波传感器

（发射），集成电路IC555、IC4049组成。电路采用555集成芯片构成一个频率

为40kHz的多谐振荡器，再通过IC4049集成电路驱动超声波传感器。接收电路

主要由超声波传感器（接收），集成运放LM5532，比较器LM393，集成电路

IC4011，IC555以及三极管9012组成。IC555构成一个延时回路，主要是用来设

置超声波检测的盲区[22]。集成运放LM5532构成一级、二级放大电路，实现对超

声波回波信号的增幅，LM393则是运用电压比较的原理来设置检测回波的阈值，

持超声波的检出信号为一脉宽可变的正脉冲，脉冲宽度就是超声波渡越时间，三从而识别回波信号的到达。四个2输入的与非门4011 构成一个RS触发器，保

D1 +12V VCC 7 6所示。 1 Vin Vout 3 1 Vin Vout 3

R117IC111D

GND
GND
18
C112 9 10 C115
8VCC R 4
1 IC111F

2C111 IC116 C110IC117 7 DISQ 33 2

11 122

25
Vin R118 IC111A

+12V P1
2

6
TRIG

THRIC106
IC111E
IC111B

GND1
C106

R114

8VCC 6

IC108B4

IC109D13
7DIS 4

R

D2R115

IC105

23

GND10 12
6TRIG Q

THR

C105

18
R113

714
9

2 10

3 IC108C8

IC109A1

12

IC108D11

C104 13

+12V

5

4

R110 6 VCC

IC109B
2

1IC108A
+12V

14R119

INT0 Port

3

IC109C911 R111
R112 Q1

R105

2

3
IC107A

1

R106
2

3 IC110A 1 4 8
4 8
R104 C102
R107

C116

+12V
+12V R109

P3 +12V+12V C103
R108

IC107B5

7

6

R103

R102 17

C101

R1 R101

2

图4-2硬件电路整机原理图

图4-3超声波发送模块

（a）超声波接收电路

18

（b）延时电路

（c）保持检出回波电路
图4-4超声波接收电路

4.2.2超声波收发一体回路设计

该方案采用收发兼用型超声波传感器。收发一体回路[24]主要由集成电路IC4049,IC4011,集成运放LM5532,比较器LM393及二极管，三极管组成。电路由ARM

IC4049 驱动超声波传感器。收到的回波信号经过LM5532一、二级放大，在经过
的T0口产生40kHz超声波，经三极管构成的共射极放大电路放大，再经过

超声波收发一体电路如图4-5所示。