基于μC／OS-Ⅱ的高精度超声波测距系统设计

基于μC／OS-Ⅱ的高精度超声波测距系统设计1引言超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而用于距离测量。利用超声波检测往往较迅速、方便、计算简单、易于实时控制，且测量精度能达到工业实用要求，因此在移动机器人的研制中得到广泛应用。移动机器人要在未知和不确定环境下运行，必须具备自动导航和避障功能。超声波传感器以其信息处理简单、速度快和价格低的特点广泛用作移动机器人的测距传感器，实现避障、定位、环境建模和导航等功能。2系统总体设计方案2．1超声波测距原理2．1．1超声波发生器超声波为直线传播方式，频率高，反射能力强。空气中其传播速度为340m／s，容易控制，受环境影响小。因此采用超生波传感器作为距离探测的“眼睛”，可用于测距领域的超声波频率为20～400kHz的频段，空气介质中常用为40kHz。2．1．2压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上利用压电晶体的谐振工作。超声波发生器内部结构有2个压电晶片和1个共振板。当它的两电极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电品片振动，将机械能转换为电信号，这时就成为超声波接收器。2．1．3超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，碰到障碍物就立即返回。超声波接收器收到反射波立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为340m／s。系统中，超声波测距采用检测超声波往返时间的方法。由于时间长度与声音通过的距离成正比，当超声波发射极发出一个短暂的脉冲波时，计时开始；当超声波接收端接收到第1个返回波脉冲后，计时立即停止。根据计时器记录的时间t，可计算发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t／2。这就是所谓的时间差测距法。2．2系统总体设计该系统采用μC／OS-lI操作系统，系统将软件划分为4个功能模块：回波A/D采集模块，LED显示和按键处理模块，LCD显示模块，报警、存储及串口处理模块。其中，回波A/D采集模块用于采样，保存实时数据；LED显示和按键处理模块用于处理采样数据，并将其转换成有实际意义的参数：LCD显示模块是将各种参数在LED显示；而报警、存储及串口处理模块主要是实时处理相应数据。图1为系统设计总体框图。3系统硬件设计3．1LPC2138微控制器简介LPC2138内嵌512KB的高速Flash存储器和32KB的RAM，具有丰富的外设资源：2个32位定时器(带捕获、比较通道)，2个10位8路A／D转换器，1个10位D／A转换器，PWM通道，47路GPIO，9个边沿或电平触发的外部中断，具有独立电源和时钟的RTC，多个串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它内含向量中断控制器，可配置中断优先级和向量地址．片内Boot装载程序可实现在系统应用编程(ISP／IAP)，通过片内PLL可实现60MHz的CPU操作频率，具有空闲和掉电2种低功耗模式，并可通过外部中断唤醒，图2为LPC2138的整体结构图。3．2超声波发射电路超声波发射电路是南超声波发射器T和PWM产生的40kHz频率信号、驱动(或激励)电路等组成。该系统设计采用ARM中的PWM模块产生高精度的40kHz的频率信号，然后通过南74HC00等组成的驱动电路，最后将发射信号送到超声波发射器T。对于放射探头T，选用发射频率为40kHz的一种，该类型现在应用较普遍，电路也简单，只需给发射端40kHz的脉冲，发射探头即不断发送超声波。具体硬件电路如图3所示。其中超声波发射和接收采用φ15的超声波换能器TCT40-10F1(T发射)和TCT40-10S1(R接收)，其中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4~8cm。若将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据不同测量范围要求，可适当调整与接收换能器并联的滤波电容器C4，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。3．3超声波接收电路超声波接收电路由以MC3403为核心的三级滤波放大电路和二极管的倍压稳流电路等组成。处理好的回波信号被送到ARM的A／D转换模块进行A／D采样，从而触发得到返回的时间。德州仪器公司的MC3403的具体引脚配置如图4所示。超声波接收电路如图5所示。5测量结果该系统经过反复调试后进行测试，测量范围为0．1~4．5m，测量精度为1cm,测量误差保持在4cm以下，因此系统性能比较良好。其测试数据如表1所示。6结束语基于ARM和μC／OS—II的超声波测距系统利用LCD显示，电路简单，显示界面友好，通讯能力强，可扩展性好，具有良好的实际应用价值。该系统可运用于机器人智能行走和导航，在汽车电子行业也有一定的应用领域．可配合其他模块实现多功能测量,同时在显示输入上可扩展触摸屏功能。