基于μC/OS-Ⅱ和ARM處理器的高精度超聲波測距系統設計

1 引言

超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而用于距離測量。利用超聲波檢測往往較迅速、方便、計算簡單、易于實時控制，且測量精度能達到工業實用要求，因此在移動機器人的研制中得到廣泛應用。移動機器人要在未知和不確定環境下運行，必須具備自動導航和避障功能。超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低的特點廣泛用作移動機器人的測距傳感器，實現避障、定位、環境建模和導航等功能。

2 系統總體設計方案

2．1 超聲波測距原理

2．1．1 超聲波發生器

超聲波為直線傳播方式，頻率高，反射能力強。空氣中其傳播速度為340 m／s，容易控制，受環境影響小。因此采用超生波傳感器作為距離探測的“眼睛”，可用于測距領域的超聲波頻率為20～400 kHz的頻段，空氣介質中常用為40 kHz。

2．1．2 壓電式超聲波發生器原理

壓電式超聲波發生器實際上利用壓電晶體的諧振工作。超聲波發生器內部結構有2個壓電晶片和1個共振板。當它的兩電極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發生共振，并帶動共振板振動，產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電品片振動，將機械能轉換為電信號，這時就成為超聲波接收器。

2．1．3 超聲波測距原理

超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物就立即返回。超聲波接收器收到反射波立即停止計時，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m／s。系統中，超聲波測距采用檢測超聲波往返時間的方法。由于時間長度與聲音通過的距離成正比，當超聲波發射極發出一個短暫的脈沖波時，計時開始；當超聲波接收端接收到第1個返回波脈沖后，計時立即停止。根據計時器記錄的時間t，可計算發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t／2。這就是所謂的時間差測距法。

2．2 系統總體設計

該系統采用μC／OS-lI操作系統，系統將軟件劃分為4個功能模塊：回波A/D采集模塊， LED顯示和按鍵處理模塊，LCD顯示模塊，報警、存儲及串口處理模塊。其中，回波A/D采集模塊用于采樣，保存實時數據；LED顯示和按鍵處理模塊用于處理采樣數據，并將其轉換成有實際意義的參數：LCD顯示模塊是將各種參數在LED顯示；而報警、存儲及串口處理模塊主要是實時處理相應數據。圖1為系統設計總體框圖。

3 系統硬件設計

3．1 LPC2138微控制器簡介

LPC2138內嵌512 KB的高速Flash存儲器和32 KB的RAM，具有豐富的外設資源：2個32位定時器(帶捕獲、比較通道)，2個10位8路A／D轉換器，1個10位D／A轉換器，PWM通道，47路 GPIO，9個邊沿或電平觸發的外部中斷，具有獨立電源和時鐘的RTC，多個串行接口(UART、I2C、SPI、SSP)。它內含向量中斷控制器，可配置中斷優先級和向量地址．片內Boot裝載程序可實現在系統應用編程(ISP／IAP)，通過片內PLL可實現60 MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并可通過外部中斷喚醒，圖2為LPC2138的整體結構圖。