基于ARM的大距离超声测距仪的设计与开发

摘要

近年来，中国城镇化脚步日益加快，塔式起重机作为施工行业的基本运输设备也得到了长足发展。城市施工现场塔机林立的场景已是常态，由于复杂的工作环境和操作人员的高强度疲劳工作，使得塔机事故频发，而塔机的碰撞和倒塌事故影响最甚，严重威胁到周边人员的生命安全，造成难以估量的经济损失。而对国内塔机行业而言，不成熟的塔机防碰技术也已经严重限制了行业的进步。因此，开发成熟可靠的塔机防碰撞技术刻不容缓。 本文以塔机防碰撞技术为研究对象，针对其超声探测功能，在原有的超声测距实验平台的基础上，以提高测距设备的应用范围和便携性，降低设备成本为目标，旨在设计一种小型化的大距离超声测距仪器。本文首先总结了常用超声测距算法的优缺点，针对工程应用中对测距精度、抗干扰能力和实时性的要求以及小型化测距设备在计算能力上的限制，提出了基于离散粒子群的最小均方误差自适应时延估计(LMSTDE)法，新算法通过优化求解过程和缩减求解范围的手段将距离信息的提取效率提升了25倍左右，并保留了LMSTDE精度高、抗干扰能力强的特点。 大距离超声测距仪的设计可分为硬件电路、软件功能两部分。硬件电路方面，选用STM32F4作为微控制器，使用DYA-25-20C单发单收超声换能器和24V电源供电；超声换能器驱动电路使用脉冲变压器提升驱动电压，超声信号调理部分包含带通滤波和对数放大两个模块。此外，电路使用MF58热敏电阻器测量环境温度，用于辅助修正声速，电路的串口通信功能负责数据上传和程序下载。软件开发使用基于ARM库函数的C语言，负责实现驱动脉冲发送、数据采集、温度采集、声速修正、距离计算和数据上传等功能。并给出了PWM脉冲的个数频率、超声信号的采样频率、温度转换的计算方法。 开放了大距离测距仪实验装置，验证了设计方法的可行性，首先检测了微控制器发送的驱动信号和脉冲变压器放大后的驱动信号，检测了带通滤波电路、对数放大电路的工作性能，再通过测距试验对比了常用算法和优化算法的计算性能。试验结果表明，优化测距算法在测距精度和抗干扰能力上优势明显，超声测距系统的软硬件工作性能良好，可实现中远距离测距，并给出了设备的性能参数和使用说明。

目录

声明

1绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2超声测距技术发展现状

1.3论文主要工作及结构安排

2超声测距试验系统总体设计

2.1系统要求

2.2系统总体设计

2.3模块说明

2.4本章小结

3超声测距算法

3.1 LMSTDE算法

3.2粒子群优化算法

3.3 本章小结

4超声测距系统硬件电路设计

4.1超声换能器

4.2微控制器及最小系统

4.3超声波发射部分

4.4超声波接收处理部分

4.5外围功能性电路

4.6本章小结

5 超声测距系统软件开发

5.1软件整体架构

5.2时钟系统初始化

5.3超声发送

5.4信号采集

5.5串口通信

5.6测距算法实现

5.7本章小结

6 制板调试与实验

6.1硬件电路的制作

6.2硬件电路调试

6.3测距算法对比试验

6.4超声测距设备性能参数

6.5本章小结

7总结展望

7.1总结

7.2展望

致谢

参考文献

附录1 PCB板布线图（正）

附录2 PCB板布线图（反）

附录 攻读硕士期间学术成果