超聲波測(cè)距是一種利用超聲波的可定向發(fā)射﹑指向性好等特性﹑結(jié)合電子計(jì)數(shù)等微電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的非接觸式檢測(cè)方式，在使用中不受光線(xiàn)、電磁波﹑粉塵等因素影響，加之信息處理簡(jiǎn)單﹑成本低，速度快，因此在避障﹑車(chē)輛的定位與導(dǎo)航﹑液位測(cè)量等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是在使用中會(huì)出現(xiàn)由于回波信號(hào)過(guò)于微弱而導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量誤差加大的問(wèn)題，因此本文介紹了一種收發(fā)一體式的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。
1.波測(cè)距原理
諧振頻率高于20kHz的聲波為超聲波。超聲波為直線(xiàn)傳播方式，頻率越高，反射能力越強(qiáng)，而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性，常常用渡越時(shí)間檢測(cè)法進(jìn)行距離的測(cè)量。其工作原理是：換能器向介質(zhì)發(fā)射超聲波，聲波遇到目標(biāo)后必然有反射回波作用在換能器上。若已知介質(zhì)中聲速為c，回波到達(dá)時(shí)刻與發(fā)射波時(shí)刻的時(shí)間差為t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與反射點(diǎn)的距離s：
式1
式中c為超聲波的傳播速度m/s。
超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速c與溫度有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可以表示為：
式2
式中T為環(huán)境溫度℃。
由于超聲波在傳播過(guò)程中，聲壓會(huì)隨距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減，遠(yuǎn)目標(biāo)的回波信號(hào)幅度小信噪比低，用固定閾值的比較器檢測(cè)回波，可能導(dǎo)致越過(guò)門(mén)檻的時(shí)刻前后移動(dòng)，從而影響計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性，這必然會(huì)影響到測(cè)距的準(zhǔn)確度。在回波接收電路中串入隨時(shí)間變化的自動(dòng)增益控制(AGC)電路，電壓放大倍數(shù)隨測(cè)距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加 ,使接收回波的幅值保持恒定或者僅在較小范圍內(nèi)變化，再經(jīng)過(guò)整形電路輸出，這樣可以大幅度地提高測(cè)距的精度。
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)超聲波在空氣中的傳播特性，設(shè)計(jì)了帶有自動(dòng)增益控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
系統(tǒng)由ATMH公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)﹑超聲波發(fā)射電路、發(fā)射接收切換電路接收前置放大濾波電路、自動(dòng)增益控制(AGC)電路、整形電路、環(huán)境溫度采集電路、E2PROM存儲(chǔ)電路、顯示電路和超聲波傳感器組成。AT89C52單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分電路的工作。傳感器選用TCF40-16型收發(fā)一體式超聲波傳感器，諧振頻率為40 kH;單片機(jī)產(chǎn)生的40 kH的脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管和變壓器放大后，通過(guò)發(fā)射接收切換電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器;每次發(fā)射7個(gè)脈沖，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖發(fā)射后 ,啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù);回波信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)接收轉(zhuǎn)換電路﹑前置放大電路﹑帶通濾波電路﹑自動(dòng)增益控制(AGC)電路整形電路后經(jīng)過(guò)比較器輸入AT89C52單片機(jī)中 ,單片機(jī)AT89C52停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù);環(huán)境溫度采集電路將現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中 ,最后利用式(⑴)、式(2)計(jì)算出距離，并由顯示電路顯示出來(lái)。
2.1硬件設(shè)計(jì)
2.1.1超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路
發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路如圖2。
圖2 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路原理圖
工作原理為：由AT89C52單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的TIL脈沖信號(hào)通過(guò)P1.0輸出，再經(jīng)過(guò)三極管Q1和變壓器TR1進(jìn)行功率放大，在變壓器副線(xiàn)圈上將電壓10倍放大后，換能器上加載的正弦電壓幅值約為100 V。在變壓器TR1原線(xiàn)圈上，串聯(lián)了限流電阻R2;變壓器TR1副線(xiàn)圈上，R3是與超聲波換能器進(jìn)行阻抗匹配的電阻，在副線(xiàn)圈導(dǎo)通時(shí)，由于加在換能器上的電壓很大(100V) ，接地的兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管對(duì)后面的接收電路的前置放大電路輸入端進(jìn)行鉗位，使其電壓最大不超過(guò)0.7V，以免前置放大電路的輸入端電壓因?yàn)檫^(guò)高而發(fā)生阻塞。
超聲波在空氣中傳播，遇到目標(biāo)物體反射的回波信號(hào)，加載到超聲波換能器上，換能器由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生微弱電壓信號(hào) ,輸出的這種回波信號(hào)是mV級(jí)的電壓信號(hào)。由于二極管的導(dǎo)通電壓為0.7 V，回波信號(hào)不能經(jīng)過(guò)兩個(gè)反向并聯(lián)的IN4148和變壓器副線(xiàn)圈構(gòu)成回路，只能經(jīng)過(guò)電阻R4、電容C3送入前置放大電路的輸入端。
2.1.2接收電路
在接收電路中，設(shè)計(jì)了前置放大、帶通濾波(中心頻率fo=40 kHz)、自動(dòng)增益控制(AGC)電路和整形電路。前置放大、自動(dòng)增益控制(AGC)電路把微弱回波信號(hào)放大了200倍以上，足夠滿(mǎn)足后面整形電路的需要;帶通濾波電路為濾波效果比較理想的高Q值、窄寬帶的二階帶通濾波器，實(shí)驗(yàn)表明輸出波形穩(wěn)定，濾波效果理想，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能達(dá)到測(cè)量精度的要求。
2.1.3自動(dòng)增益控制(AGC)電路
超聲波回波信號(hào)隨著被測(cè)距離大小的變化，其幅值變化也很大，必須經(jīng)過(guò)增益控制，以滿(mǎn)足整形電路的要求。實(shí)現(xiàn)增益隨時(shí)間呈指數(shù)變化的AGC電路有多種，設(shè)計(jì)了通過(guò)軟﹑硬件結(jié)合的AC電路，它是由可編程放大器AD620AN、數(shù)字電位器MAX5400結(jié)合單片機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。如圖3所示。
圖3自動(dòng)增益控制(AGC)電路原理圖
AD620AN是一種電阻可編程放大器，內(nèi)部由三運(yùn)放組成，具有很高的精度和共模抑制比。增益范圍為1～1 000，由管腳1.8之間的電阻調(diào)節(jié)。增益公式為：
式3
式中RG的單位為kΩ。
MAX5400是一種具有256抽頭的數(shù)字電位器，端-端阻值為50 kΩ，溫度系數(shù)小于5×10-6℃，并帶有SPI接口。管腳3、4、5與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。事先把通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的與一定距離對(duì)應(yīng)的較為理想的放大倍數(shù)換算成數(shù)字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數(shù)固化到E2PROM中。單片機(jī)以計(jì)時(shí)器中斷的方式來(lái)設(shè)置增益，到了一個(gè)時(shí)刻就由內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生一次中斷，中斷服務(wù)子程序通過(guò)查表方式獲得對(duì)應(yīng)的增益，然后通過(guò)SPI接口設(shè)置對(duì)應(yīng)增益。
2.1.4溫度補(bǔ)償
根據(jù)式(2)可知，溫度對(duì)聲速的影響較大，若不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度計(jì)DS1820來(lái)采集溫度，DS1820是單線(xiàn)串行數(shù)字溫度計(jì)，可直接與單片機(jī)連接并且接線(xiàn)形式簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍為-55~125℃，- 10~85℃時(shí)測(cè)量精度為0.5℃。傳感器輸出的是用9位二進(jìn)制編碼表示的溫度值 ,根據(jù)實(shí)際溫度的值，利用式(2)可計(jì)算補(bǔ)償聲速。
2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括主程序溫度采集子程序、發(fā)射子程序、計(jì)算子程序數(shù)碼顯示子程序、外部中斷子程序和定時(shí)器中斷子程序。主程序完成初始化和各個(gè)子程序的調(diào)用，最后把測(cè)量結(jié)果用數(shù)碼管電路顯示出來(lái)(如圖4)。
圖4 主程序流程圖
3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。正對(duì)光滑硬質(zhì)表面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，表1中實(shí)際距離是用鋼質(zhì)卷尺測(cè)量得到的。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其測(cè)量誤差
從表1中數(shù)據(jù)可以看出，由于采用收發(fā)一體式的測(cè)距電路，換能器振子必須在余震消除后才能進(jìn)行接收，因此系統(tǒng)有很大的盲區(qū);在量程范圍內(nèi)，由于采用了自動(dòng)增益控制技術(shù)，測(cè)量誤差沒(méi)有隨著測(cè)量距離的增加而增大;除了個(gè)別測(cè)量數(shù)據(jù)具有負(fù)偏差外，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都要比實(shí)際距離要大，這是由于電路的延遲及整形電壓的起伏，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間有所增大，進(jìn)而體現(xiàn)在測(cè)量數(shù)據(jù)的偏大。
結(jié)束語(yǔ)
以上就是基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單﹑精度較高。采用前置放大器、AGC電路﹑濾波器等檢測(cè)電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，取得了良好的效果。實(shí)驗(yàn)表明，在近距離測(cè)量范圍內(nèi)，這種方法可以達(dá)到mm級(jí)。這種收發(fā)一體式的測(cè)距系統(tǒng)是一種理想的非接觸檢測(cè)方式，它可以滿(mǎn)足料位檢測(cè)﹑液位探測(cè)及微地形構(gòu)造等方面的需要。在測(cè)量精度方面，還可以采用一些改進(jìn)措施，在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面也要進(jìn)行改進(jìn)，盡量減小系統(tǒng)的測(cè)量偏差。
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