超声波测量单片机实现.docx
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超声波测量单片机实现.docx
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超声波测量单片机实现
摘要:
该文件主要描述了一个利用2Mhz超声波传感器,实现对样品玻璃进行厚度测量的单片机系统。
超声波测量的电路主要分为两部分:
超声波收发模块与反射波计时模块。
其中,超声波收发模块,实现了超声波的发射与接受,并将接受到的震荡波放大、检波、整形成脉冲波。
反射波计时模块含有一个11.0592MHz的晶振,以及计数器若干,当接收到第一个脉冲波时开始计时,接受到目标回波时停止计时,以此达到计时目的。
本次的实验我们调试了很长时间才使系统达到一个比较良好的状态,能够测量5mm~20mm的玻璃样品,并能同时测量两块样品。
该文档包含了我们在调试过程中遇到的许多问题和解决方法,希望能对读者有所帮助。
关键词:
超声波测量
单片机
检波
比较整形
样品厚度
目录
1.概述1
1.1编写说明1
1.2缩略语1
2.系统总述2
2.1系统组成2
2.2系统的主要功能2
2.3性能指标2
3.超声波测量系统的硬件设计3
3.1系统分析3
3.2超声波收发模块设计3
3.3计时模块设计6
4.超声波测量的软件设计8
4.1系统要求8
4.2程序流程图8
5.遇到的主要问题和解决方法9
6.致谢10
7.心得体会11
8.参考文献12
9.附录A开发环境与系统操作13
9.1硬件开发13
9.1.1工具13
9.1.2环境13
9.2软件开发13
9.3系统操作13
10.附录B软件程序清单14
1.概述
1.1编写说明
本文主要介绍了一个利用2MHz超声波传感器实现样品厚度测量的单片机系统。
该系统主要包括超声波收发模块与计时器模块。
以下将就整体设计方案与各个功能模块作详细的分析,并附上设计中涉及到的系统的操作说明与测试指标。
编写这篇报告旨在阐明这个系统的设计思路,介绍电路结构与软件算法,解释设计中的重点与难点。
既说明我们在设计中获得的收获,同时也为后来的同学提供一份详尽的参考资料,有助于他们能设计出更好的系统。
本文适合对超声波测量有兴趣且对模拟电路、数字电路有一定基础的人阅读。
1.2缩略语
SCM单片机
2.系统总述
整个系统是一种利用单片机和超声波测量玻璃样品厚度的电路系统。
系统分为三个部分:
超声波收发模块、计时模块与单片机软件控制模块。
超声波收发模块激发一个2MHz的超声波并接受反射波,经过两次放大和检波整形成为一个脉冲波,连接到计时模块。
计时模块在收到第一个发射波时开始技术,当收到第一个(或第二个)回波时,停止计时,以此来计算反射波传播的时间。
单片机软件控制模块从计时模块读取计数值,并计算转换为距离。
2.1系统组成
图2.1系统总体框图
2.2系统的主要功能
测量样品玻璃的厚度。
2.3性能指标
测量玻璃块厚度5mm~20mm
最多可测量两块玻璃块叠在一起的厚度
3.超声波测量系统的硬件设计
如前文所述,超声波硬件系统主要包括超声波收发模块和计时模块。
前者为模拟电路,后者为数字电路。
所以,收发模块的检波,整形效果对测量的精度影响很大,需慎重对待。
3.1系统分析
整个测量过程可以分为一下几步:
初始化计时模块计数值->激发超声波->放大信号->检波->二级放大->比较整形->计时->读取计数值并计算厚度。
3.2超声波收发模块设计
1、发射部分
图3.1超声波发射电路(摘自《超声波电路设计指导》)
超声波发射电路如上图。
当T截止时,250V电压源通过R1和RL向C1充电。
一般认为,持续充电时间大于5倍的回路充放电常数,则C1两端电压能基本达到250V,为驱动超声波发射做好准备。
当T瞬时导通,T、C1和RL构成放电回路。
超声波传感器的阻抗约为50Ω,故C1中的电荷被快速释放,在超声波传感器上形成一个负向冲击脉冲,脉冲宽度约为0.5~1.5us。
图3.2输出波形(摘自《超声波电路设计指导》)
激发信号通过单片机给74LS123一个上升沿信号,产生一个单稳态脉冲信号到DS0026输入端。
脉冲信号宽度约为1us。
脉冲宽度由外围电路电阻、电容的时间常数决定。
图3.374LS123外围电路
2、接收部分
图3.4接收电路
接收部分由一级放大、RC检波、二级放大、比较整形4个单元组成。
一级放大单元由二极管限幅电路和同相放大电路组成。
由于超声波的频率。
高达2MHz,要求运算放大器具有更高的压摆率,故选择AD818。
一级放大倍数约为10倍,输入端Ci选择0.1uF。
放大后的信号如下。
图3.5一级放大信号
RC检波单元由1个导通二极管、1个5.1kΩ电阻和1个100pF的电容组成包络检波电路。
通过RC电路快速充放电特性,检出发射波与回波信号。
图3.6检波后的信号
二级放大电路为同相放大电路,放大倍数为2倍。
通路总放大倍数20倍。
比较整形电路如下所示,二级放大后的信号从Uin端输入,Ur端接基准电压。
通过比较器后的电压转为脉冲信号。
基准电压必须高于背景噪声的电压,低于超声波信号电压。
图3.7比较电路图3.8比较后的信号
3.3计时模块设计
由于样品的厚度较小,声速过大,发射波与回波之间的时间差为us级,远小于AT89S52的时钟周期,故不能直接采用单片机对回波的时间进行测量。
而采用硬件计时电路如下。
图3.9计时电路
左下角为振荡电路,产生固定周期的方波。
下方为两片74LS191组成的8bit计数电路和一个74LS373寄存器。
上方为3个D锁存器组成的移位寄存器。
当测量单块样品时,3个寄存器初始值从左至右为101,当接收到发射波信号时,移位寄存器右移为110。
此时,最右端的D锁存器连接到74LS191的CE端,开始计数。
当接受到回波1时,移位寄存器再次右移为111,计数电路停止计数。
将计数值*振荡电路的周期=发射波与回波1的时间差。
再根据声音在样品中的速度,即可求得样品厚度。
当测量两个样品时,移位寄存器初始值001,需移位2次,计数器才停止计数,故测得的是两块样品的总厚度。
图3.10超声波测量示意图
4.超声波测量的软件设计
4.1系统要求
单片机的软件控制主要实现以下功能:
1、产生一个上升沿触发信号,激发超声波。
2、在适当延迟时间后,从74LS373取得计数值,转化为时间单位并计算出样品的厚度。
若要计算第二块样品的厚度,需要将两块样品的总厚度减去第一块样品的厚度。
4.2程序流程图
5.遇到的主要问题和解决方法
在一开始超声波收发模块一直工作不正常,一级放大电路没能把信号有效放大。
最后发现是同相放大电路少了平衡电阻。
在同相放大电路输入端接入一个5.1KΩ的接地电阻,问题得以解决。
我们曾经检波的效果不好,出现很多杂波信号,而且回波强度不稳定。
一开始一直以为是检波参数调得不好。
经过各种尝试后仍未解决问题。
后发现时AD818的工作电压不足,导致放大信号失真。
一开始设的工作电压是Vcc=+5V,Vss=-5V。
后改为Vcc=+7V,Vss=-7V后解决问题。
在编程调试时,有时读取74LS373数据会出现随机性错误。
后来发现时没有适当的延时,计数电路还在计数,单片机就开始读取数据了。
经过适当延时后解决问题。
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