李力 馮軍軍 陳新華

摘要：在現(xiàn)代社會(huì)生活中，電子測(cè)量是一種很常用的測(cè)量技術(shù)，其中超聲波測(cè)距由于其使用方便、精確高、成本低、性能穩(wěn)定，因此成了一種使用范圍最廣的測(cè)距方式。文中闡述了使用超聲波測(cè)距的原理和系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，以及系統(tǒng)的硬件和軟件組成，基于LPC2136微控制器設(shè)計(jì)了一款同時(shí)具有顯示和語(yǔ)音提示功能的超聲波測(cè)距儀。

關(guān)鍵詞：超聲波;超聲波測(cè)距;超聲波測(cè)距儀;微控制器;LPC2136

中圖分類號(hào)：TP312 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）23-0257-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Ultrasonic Ranging Instrument Based on LPC2136 Microcontroller

LI Li，F(xiàn)ENG Jun-jun，CHEN Xin-hua

（Department of Information Engineering， Sichuan Vocational College of Information Technology， Guangyuan 628017， China）

Abstract： In modern social life， electronic measurement is a very common measurement technology， in which ultrasonic ranging has become the most widely used method because of its convenient use， high accuracy， low cost and stable performance. This paper describes the principle of ultrasonic ranging and the overall design scheme of the system， as well as the hardware and software composition of the system. Based on LPC2136 microcontroller， an ultrasonic ranging instrument with display and voice prompting functions is designed.

Key words： Ultrasonic; Ultrasonic ranging; Ultrasonic ranging instrument; Microcontroller; LPC2136

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展、社會(huì)的迅速進(jìn)步，很多場(chǎng)合都需要用到電子測(cè)量技術(shù)，如海洋測(cè)量、雷達(dá)、倒車防撞、機(jī)器人接近覺(jué)、建筑工地等。

非接觸式測(cè)距主要是利用電子波或聲波進(jìn)行測(cè)距，如激光、毫米波、超聲波、紅外線測(cè)距等[1]，其中超聲波受光線、色彩、電磁場(chǎng)變化的影響小[2]，和其他非接觸式測(cè)距方法相比，更適在光線弱、電磁干擾強(qiáng)的環(huán)境中使用[3]，其原因是它，除此之外還具有易維護(hù)、安全、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此被廣泛使用。另外，超聲波的波速大約是光速的1/106，傳播速度慢，傳播時(shí)間更容易被檢測(cè)。其次，超聲波傳播時(shí)能量消耗緩慢，更適用于較遠(yuǎn)距離的傳播[4]。雖然環(huán)境溫度會(huì)影響超聲波的傳播速度，但是可以通過(guò)公式修正超聲波波速，從而提高測(cè)量精度以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的要求[5]。再者，超聲波距離計(jì)算方法簡(jiǎn)單且使用方便[6]。

本文詳盡地分析了超聲波測(cè)距的原理、系統(tǒng)組成和硬件構(gòu)成，基于LPC2136微控制器設(shè)計(jì)了一款可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)。

1 超聲波測(cè)距原理

超聲波頻率大于20KHz[7]，其特點(diǎn)是頻率越高，反射能力越強(qiáng)，因此可以制作超聲波傳感器[8]。超聲波傳感器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，它有兩極——超聲波發(fā)送極和接收極，其中發(fā)射將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，相反接收極將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能[9]。

如圖1所示，L為測(cè)量距離，H是超聲波裝置兩極（超聲波接收和發(fā)射）間距離的1/2，S為超聲波裝置發(fā)射極到障礙物的距離，如果超聲波傳播時(shí)間為t，波速為c，則S=ct/2。

由圖可知測(cè)量距離[L=S2-H2=ct22+H2]，在整個(gè)公式中c和H都是已知條件，要計(jì)算機(jī)L，只需測(cè)量超聲波傳播時(shí)間t。t測(cè)量方法為，超聲波裝置發(fā)送超聲波時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，接收到障礙物反射回來(lái)的超聲波時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)，這個(gè)時(shí)間間隔就是超聲波在介質(zhì)中的傳播時(shí)間t。在測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合還要考慮環(huán)境溫度對(duì)超聲波波速的影響[10]，環(huán)境溫度T和超聲波波速c之間的關(guān)系一般為：c=331.6+0.6107×T;若測(cè)量精度要求不高，可以認(rèn)為c=340m/s[11]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)由主控制模塊和多個(gè)子功能模塊組成，子功能模塊主要包括：按鍵中斷子模塊用于完成系統(tǒng)功能設(shè)置、顯示模塊用于呈現(xiàn)環(huán)境溫度和距離檢測(cè)結(jié)果、溫度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)環(huán)境溫度、報(bào)警模塊用于提示極限距離、超聲波測(cè)距模塊用于測(cè)量超聲波裝置到障礙物的距離、語(yǔ)音模塊用于播報(bào)測(cè)量距離。

其中微控制器選用的是ARM7的嵌入式芯片LPC2136，超聲波測(cè)距模塊選用的是US-100模塊，語(yǔ)音模塊選用的是ISD4004語(yǔ)音芯片，極限報(bào)警模塊選用的是LM386音頻放大器，溫度檢測(cè)模塊選擇的是DS18b20溫度傳感器，顯示模塊選用的是LCD1602字符型液晶。

2.1 微控制器及外圍電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的主控芯片選擇的是LPC2136。LPC2136是PHILIPS公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI-S微控制器。其特點(diǎn)是：功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、命令執(zhí)行效率高且封裝小[12];分別有32KB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和256KB的Flash程序存儲(chǔ)器用于完成命令執(zhí)行過(guò)程中數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)[13];47個(gè)通用I/O口，2個(gè)串行接口，9個(gè)外部中斷，可以同時(shí)連接多個(gè)外設(shè)[14];2個(gè)32位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用于定時(shí)和計(jì)數(shù)[15]。

2.2 US-100超聲波測(cè)距模塊

為了自動(dòng)校正環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量測(cè)距的影響，US-100自帶溫度傳感器;其測(cè)距范圍為2cm～4.5m;通信方式有GPIO、串口等;為保證程序的可靠運(yùn)行，US-100內(nèi)帶看門狗;工作環(huán)境溫度為-20～+70℃，電壓輸入范圍為2.4～5.5V，靜態(tài)功耗低于2mA，性能可靠。

2.3 LCD1602液晶顯示器

LCD1602每行16個(gè)字符模塊，總共兩行。其可以顯示數(shù)字、字母和符號(hào)。每個(gè)模塊都是一個(gè)5×11或5×7的點(diǎn)陣，模塊間有一個(gè)點(diǎn)的距離[16]。LCD1602的最大缺點(diǎn)是不能顯示圖形。

2.4 ISD4004語(yǔ)音芯片和LM386音頻功率放大器

ISD4004是很常用的語(yǔ)音芯片，其特點(diǎn)是質(zhì)量高、輸出的語(yǔ)音比較自然不會(huì)機(jī)械化。每個(gè)ISD4004芯片可錄音10萬(wàn)次;8～16分鐘的錄放時(shí)間;工作電壓為3V;通信方式可以使用串行通信接口SPI或者M(jìn)icrowire;常用于便攜式語(yǔ)音設(shè)備中。

LM386音頻功率放大器，其特點(diǎn)是外接元件少、失真小、工作電壓范圍寬、功耗低等，常用于各種各樣的收音和錄音設(shè)備中。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文中程序的設(shè)計(jì)選用的是keil uvision4軟件，編程語(yǔ)言選擇的是C語(yǔ)言。根據(jù)系統(tǒng)功能系統(tǒng)的程序主要由主控制程序和多個(gè)子程序組成。主控制程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用于完成各種外設(shè)的初始化以及所有個(gè)子程序的調(diào)用。不同的子程序用于完成不同的子功能，如外部中斷子程序主要完成系統(tǒng)功能設(shè)置;語(yǔ)音采集子程序用于完成系統(tǒng)語(yǔ)音的采集;溫度采集子程序用于完成溫度的檢測(cè);超聲波測(cè)距子程序用于完成距離的測(cè)量;顯示子程序用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)量距離和環(huán)境溫度。語(yǔ)音播報(bào)子程序主要完成環(huán)境溫度和測(cè)量距離度的播報(bào)。

4 電路調(diào)試與結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)框架圖和選擇的硬件設(shè)備，繪制了電路圖并制版、焊接，從而設(shè)計(jì)了一種基于LPC2136微控制器的超聲波測(cè)距儀。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用ISD400語(yǔ)音芯片和LM386音頻放大器，用于完成語(yǔ)音的采集以及播放;使用US-100超聲波模塊完成了2cm～4.5m范圍內(nèi)的高精確度距離測(cè)量;使用LCD1602液晶顯示器，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量距離和環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)測(cè)量效果良好、性能可靠，適用倒車輔助系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人避障、工地施工等短距離測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸洋. 基于單片機(jī)的船舶防撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江海洋學(xué)院，2014.

[2] 胡珂. 基于Arduino的智能小車測(cè)距安全行駛系統(tǒng)的研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[3] 邢書(shū)劍. 基于多脈沖干涉的任意長(zhǎng)絕對(duì)測(cè)距系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué)，2014.

[4] 段銀聯(lián). 基于RFID技術(shù)的礦井人員定位監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].安徽理工大學(xué)，2009

[5] 吳鋼雄. 毫米波雙頻段空間行波管高頻特性研究[D].電子科技大學(xué)，2016.

[6] 宋承云. 嵌入式目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的研究[D].蘭州理工大學(xué)，2013.

[7] 張瑩. 基于嵌入式技術(shù)的導(dǎo)盲機(jī)器人設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2011.

[8] 莫玉華.基于單片機(jī)的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（01）：4.

[9] 李書(shū)飛. 多模雷達(dá)信號(hào)處理平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2015.

[10] 范文龍. 近距離平面目標(biāo)聲探測(cè)與定位技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué)，2018.

[11] 李明放. 超聲波車位探測(cè)器的研究[D].北京交通大學(xué)，2014.

[12] 盧飛. 基于ARM內(nèi)核μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的15ppm艙底水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連海事大學(xué)，2012.

[13] 喻海軍. 基于ARM的汽車電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[14] 梁辰明. 基于FPGA和ARM的數(shù)字邏輯測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].東南大學(xué)，2018.

[15] 高磊. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的果園蟲(chóng)害信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].安徽大學(xué)，2018.

[16] 陳才國(guó). 基于機(jī)器視覺(jué)的全方位傾斜傳感器的開(kāi)發(fā)及其應(yīng)用[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】