基于STM32的功率自适应FSK高精度超声波测距系统的设计

发布时间：2021-03-19 22:17

超声波测距广泛应用于液位检测、机器人自动导航、车辆安全行驶辅助系统、海洋石油开发、医学等非接触距离测量领域。传统的超声波测距方法是在测量超声波传播时间的基础上而实现的。由于受到回波脉冲前沿检测不准、传播衰减、环境温度、环境声波噪声等因素的影响,超声波测距的精度仅限于毫米级。通过对超声波产生、传播、接收等环节进行动力学分析,本文设计了一种基于STM32的功率自适应FSK(频移键控)高精度超声波测距系统,在发射端产生频率由f1切换至f2的超声波,通过测量接收信号相应的变频点实现超声波测距。为了消除接收点声压变化对于接收振子振动频率切换时间的不确定性,实时控制超声波发射器的发射功率,以保证接收点声压处于一个恒定值,将接收振子振动频率频率切换时间控制在一个固定值,从而克服了回波脉冲前沿检测不准、传播衰减等因素对超声波测距精度的影响。基于STM32的功率自适应FSK超声波测距系统设计包括硬件和软件两个方面的设计。在硬件设计上,发射端设计了信号发生器、功率自适应放大器,接收端设计了放大整形电路、精密整流电路、双限比较器电路,通过使用主频高达72MHz的STM32控制芯片,利用其逻辑捕获功能及DMA数据处理模式保证了接收信号周期的实时采集。在软件设计上,提出了一种高精度检测频率切换点的算法,根据STM32采集的周期信息,能有效地在周期渐变区域准确判断频率切换点的位置,从而实现高精度的渡越时间和距离的测量。实验表明,本系统测量的绝对误差控制在0.35mm的范围内,精度和稳定性都优于传统同类技术。
【学位授予单位】：浙江工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB559

文章目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的主要内容及章节安排

第2章超声波及测距理论

2.1 超声波及其性质

2.1.1 超声波的物理性质

2.1.2 超声波的衰减

2.2 超声波测距原理

2.2.1 超声波传播速度

2.2.2 渡越时间

2.2.3 基于FSK超声波测距

2.3 本章小结

第3章超声波产生及其动力学分析

3.1 超声波换能器

3.2 超声波动力学分析

3.2.1 发射压电振子的振动原理

3.2.2 超声波波动方程

3.2.3 接收压电振子的振动原理

3.3 基于FSK的超声波动力学分析

3.4 本章小结

第4章硬件设计

4.1 系统硬件原理框图

4.2 信号发生器

4.3 功率自适应放大电路

4.4 接收信号处理电路

4.4.1 接收信号放大整形电路

4.4.2 接收信号精密整流电路

4.4.3 接收信号双限比较器

4.5 本章小结

第5章软件设计

5.1 软件设计原理

5.1.1 频率切换规律

5.1.2 频率切换点检测算法

5.1.3 渡越时间以及距离计算

5.2 软件实现

5.2.1 主程序

5.2.2 系统初始化

5.3 本章小结

第6章系统测试和结果分析

6.1 测试目的

6.2 测试装置

6.3 测试内容和方法

6.4 测试数据

6.5 结果对比

6.6 本章小结

第7章总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间申请的专利

攻读硕士学位期间参与项目

【参考文献】