基于超声波传感器的ARM测距系统设计

论文总字数：8273字

摘 要

：针对传统的接触式测距仪使用限制多、容易失灵、抗粉尘能力差等缺点，本文介绍了较为先进的非接触式超声波测距仪的设计思路、制作过程及工作过程。该系统以ARM为核心，以电源接口、超声波谐振频率调理电路、超声波回波脉冲信号接收处理电路、模组接口和测距模式选择条线等几大部分为组成部件构成。经测试，该系统能够测量20cm--400cm范围内的被测对象，且最大误差仅为1cm。

关键词：非接触，超声波传感器，ARM，测距

Abstract: The contact type rangefinder traditional easy failure, anti dust capability,disadvantages of low accuracy, this paper introduces the design and production process of non-contact ultrasonic range finder is more advanced.The system takes ARM as the core, with the power interface, ultrasonicresonance frequency modulation circuit, ultrasonic echo receiving circuit,module interface and ranging mode selection line parts as components. After testing, the system can measure the object being measured in the range of 20cm--400cm, and the maximum error is only 1cm.

Keywords: non contact，distance measurement，ARM，ultrasonic sensor

目 录

1 前言 4

1.1 超声波传感器的工作原理 4

1.2 超声波脉冲法测距原理 4

2 系统的硬件设计 5

2.1 系统结构示意图 5

2.2 电路原理图说明 6

2.2.1 超声波谐振频率调理电路 6

2.2.2 超声波回波接收处理电路 6

2.2.3 电源接口 7

2.2.4 测距模式选择跳线 7

2.2.5 模组接口 8

3 系统的软件设计 8

3.1 设计思想 8

3.1.1 软件控制脉冲发射、检测回波信号 8

3.1.2 超声波测距模组信号 8

3.2 软件构成 9

3.2.1 主程序 10

3.2.2 超声波测距程序 11

3.3 EXT1外部中断程序 15

3.4 超声波测距函数介绍 15

结 论 17

参 考 文 献 18

致 谢 19

1 前言

伴随着经济和科技的进步，农业、工商业和生产业等行业都取得了长足发展, 随之对距离的测量精度的要求也越来越高, 由此对测距仪也就提出了更高的要求,。而传统使用的接触式测量仪, 鉴于其普遍存在的几个缺点，例如，仪器的固定性、抗粉尘能力差、触点接触易受干扰、容易被杂物缠绕而误报、假动作等, 都使传感器的使用场合受到了较大的约束，尤其是一些高温高压高粉尘等使用环境较为恶劣的场所。

超声波作为测量仪器一种检测手段, 应用的是非接触式测量技术,其特点是可使测量仪器对于被测物处于昏暗无光、灰尘、有毒或侵蚀性流体、甚至于存在电磁干扰等恶劣的环境下同样具有工作能力，即不受被测介质的影响。因此超声波测量技术拥有广泛的应用空间，比如在机械手控制、液位测量、车辆自主导航、物体识别等等方面。特别是用于空气测距，由于在空气介质的波动速度慢，以及包含在检测方便的信息传播方向的结构回波信号，具有分辨率高，其计算精度高于其他方法。 利用超声波检测既迅速, 方便, 计算简单又易于实时控制。

本系统装置实现了无接触式空气测距，正是因为使用了超声波传感器，其工作原理就是采用了超声波脉冲测距，以ARM为核心，电源接口、超声波谐振频率调理电路、超声波回波脉冲信号接收处理电路、模组接口和测距模式选择条线等几个部分部件为组成，具有测量精度高，抗干扰能力强，无附带污染，快速响应的特点，可应用于障碍物远程识别技术、各种流体液位测量以及车辆的先进自主导航等领域，因此具有很大的应用前景和广阔的发展空间。

1.1 超声波传感器的工作原理

超声波传感器的工作原理是依靠超声波的声波特性。总所周知超声波是一种频率高于或远高于普通人耳可听声音声波的高频机械波，它具有波长短、频率高、绕射现象小，尤其是它的方向性能强，能够完成定向传播等特点尤为突出。只有自身具备产生超声波和接收响应并处理超声波的功能的装置部分，才能称为是以超声波作为检测手段的仪器。能完成这种一系列功能作用的检测装置就是超声波传感器，实际生产中人们还称它们叫超声换能器，或者超声探头。

1.2 超声波脉冲法测距原理

超声波在传播介质中被定义为纵波。回声现象是指当声波在传播过程中，遭遇到物理尺寸大于该声波波长的物体阻挡时，声波就会发生反射现象，反射回来波就称为回声或者回波。一般来讲，声波在不同介质中传播的速度是相对固定的已知的（这也是声波传播的固有属性），而且声波从声源到达目标物后再返回到声源的时间可以通过计时器测量得到，那么从声源到目标的距离就可以计算出来。这就是本系统的测量工作原理，见图1-1。下图中声波传播的介质我们默认为是空气，传感器发射的是人耳不可闻的超声波。

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图1-1 超声波测距工作原理示意图

假设在常规温度下，声波在空气介质中的传播速度总是340m/s，声波从声源发出到达目标后再返回声源的时间经测量得知是t秒，则所要求的距离D可以用下列公式计算得知，即：

d=34000(cm/s)×t(s)

D=d/2 (cm)

因为声波是从发射端传到目标物再从目标物反射回接收端的，它走过的路程是两倍于声源与目标物之间的距离的，所以声源与目标之间的距离D应该是二分之一的d,即d/2。

2 系统的硬件设计

2.1 系统结构示意图

本文阐述的非接触式较为先进的超声波测距仪的思路设计与实际制作过程，是以ARM为核心，配以电源接口、超声波谐振频率调理电路、超声波回波脉冲信号接收处理电路、模组接口和测距模式选择条线等五大部分及其他较小的相关组成部件构成的，系统结构如图2-1所示。

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