一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的改進(jìn)

1、    一種高精度超聲波測距系統(tǒng)的改進(jìn)        趙海鳴，王紀(jì)嬋，劉 軍，史春雪 時(shí)間:2008年02月20日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘 要：關(guān)鍵詞：收發(fā)一體式? 回波起伏特性? 回波包絡(luò)? 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中,利用超聲波進(jìn)行近

2、距離非接觸式測量越來越廣泛，例如液位的測量、煤層的測厚、機(jī)器人定位、輔助視覺系統(tǒng)、車輛的定位與導(dǎo)航、汽車防撞雷達(dá)、井深及管道長度測量等方面。根據(jù)超聲波縱向分辨力高、對(duì)色彩和光照度不敏感、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出精度較高的超聲波測距系統(tǒng)，應(yīng)用于漫反射差和有毒等惡劣環(huán)境中。但傳統(tǒng)的超聲波測距儀由于采用固定閾值的比較器比較輸出，測量精度普遍較低1。本文從回波信號(hào)處理的角度出發(fā)，分析了超聲波回波曲線的特性，利用回波包絡(luò)的峰值檢測以確定回波到達(dá)時(shí)刻的方法，并介紹一種以89C52單片機(jī)為核心、具有自動(dòng)增益控制和峰值包絡(luò)檢測、高精度的收發(fā)一體式超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。1 回波信號(hào)包絡(luò)研

3、究? 傳統(tǒng)的利用固定電平判斷回波到達(dá)時(shí)刻的超聲波測距方法存在較大誤差。針對(duì)這種誤差提出的可變閾值的超聲波測距方法，由于干擾信號(hào)的存在，超聲波測距主芯片會(huì)產(chǎn)生誤判回波時(shí)刻的到來，從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。? 超聲傳感器通過壓電晶片的逆效應(yīng)電致伸縮，在空氣介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。測距所用超聲波一般都是以間斷的高壓單脈沖發(fā)射，每測距一次，需要發(fā)射、接收一次。所以在測距脈沖的發(fā)射過程中，傳感器晶片經(jīng)歷了起震、加強(qiáng)和衰減三種狀態(tài)，并產(chǎn)生多個(gè)諧振周期的超聲波；接收過程中，傳感器晶片在多個(gè)諧振周期的超聲脈沖作用下，通過壓電效應(yīng)在晶片兩端產(chǎn)生起伏電壓。廈門大學(xué)的童峰等研究了單脈沖發(fā)射時(shí)超聲回波的起伏特性，并根據(jù)聲的發(fā)

4、射、反射理論及應(yīng)用力聲類比，推導(dǎo)出了理想條件下的測距回波包絡(luò)曲線方程2。在此理論基礎(chǔ)上，通過大量實(shí)驗(yàn)，每次發(fā)射1個(gè)脈沖寬度為時(shí)間?子的脈沖，來驗(yàn)證這種超聲波回波起伏特性。圖1為通過放大、帶通濾波、AGC電路以后，用Tektronix數(shù)字存儲(chǔ)示波器存儲(chǔ)得到的回波波形。? 可以驗(yàn)證：超聲回波在脈寬時(shí)間2 超聲波測距原理及系統(tǒng)組成? 超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離d可用下式求出：? 從式(1)可知，只要知道超聲波在空氣中的傳播速度c，則測出傳播聲時(shí)t就可求出傳感器到目標(biāo)物體的距

5、離d。本超聲波測距系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。? 該系統(tǒng)由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、發(fā)射接收轉(zhuǎn)換電路、接收前置放大電路、帶通濾波電路、自動(dòng)增益控制（AGC）電路、絕對(duì)值變換電路、檢波電路、過零檢測電路、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40kHz；單片機(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管和變壓器放大后，通過發(fā)射接收轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器；每次發(fā)射1個(gè)脈沖，當(dāng)脈沖發(fā)射后，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；回波信號(hào)經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動(dòng)接收轉(zhuǎn)換電

6、路、前置放大電路、帶通濾波電路、自動(dòng)增益控制（AGC）電路、絕對(duì)值變換電路、檢波電路、過零檢測電路后輸入AT89C52單片機(jī)中，觸發(fā)外部中斷，單片機(jī)AT89C52停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并計(jì)算出渡越時(shí)間t；環(huán)境溫度采集電路將現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中，通過計(jì)算來補(bǔ)償聲速，最后利用公式(1)計(jì)算出距離，并由顯示電路顯示出來。3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路? 本系統(tǒng)的發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。? 工作原理為：由AT89C52單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的TTL脈沖信號(hào)通過P1.0輸出，再經(jīng)過三極管Q1和變壓器TR1進(jìn)行功率放大，在變壓器副線圈上將電壓10倍放大，這時(shí)換能器上加載的正弦

7、電壓幅值約為100V。在變壓器TR1原線圈上，串聯(lián)了限流電阻R2；變壓器TR1副線圈上，R3是與超聲波換能器進(jìn)行阻抗匹配的電阻，在副線圈導(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0.7V，以免前置放大電路的輸入端電壓因?yàn)檫^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0.7V，回波信號(hào)不能經(jīng)過兩個(gè)反向并聯(lián)的IN4148和變壓器副線圈構(gòu)成回路，只能經(jīng)過電阻R4、電容C3

8、送入前置放大電路的輸入端。3.2 自動(dòng)增益控制（AGC）電路? MAX5400是一種具有256抽頭的數(shù)字電位器，端-端阻值為3.3 溫度補(bǔ)償? 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)3。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補(bǔ)償問題。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可以表示為：? 式中，T為環(huán)境攝氏溫度。? 為了提高系統(tǒng)的測量精度，本文設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度計(jì)DS1820采集溫度。DS1820是美國DALAS公司推出的單線串行數(shù)字溫度計(jì)，可直接與單片機(jī)連接，并且接線形式簡單4，測量范圍為-55+125，在-10+85范圍內(nèi)測量精度為0.5。傳感器輸出的是用9位二

9、進(jìn)制編碼表示的溫度值。根據(jù)實(shí)際溫度的值，利用公式（3）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。3.4 絕對(duì)值變換和包絡(luò)電路? 本系統(tǒng)的絕對(duì)值變換和包絡(luò)電路原理圖如圖4所示。?3.5 微分電路和過零檢測? 回波包絡(luò)信號(hào)通過微分電路，電壓峰值點(diǎn)處取導(dǎo)數(shù)為零，過零檢測電路在信號(hào)的過零點(diǎn)時(shí)刻發(fā)送脈沖信號(hào)給單片機(jī)外部中斷INT0，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，從而捕捉到回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻。包絡(luò)信號(hào)微分和過零檢測原理如圖6所示。?4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)? 本測距系統(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。主程序完成初始化后調(diào)用發(fā)射子程序，由P1.0口發(fā)射1個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超

10、聲波，并關(guān)外部中斷，計(jì)數(shù)器T0、T1同時(shí)開始計(jì)時(shí)；為防止虛假回波的干擾，在延時(shí)一段時(shí)間后，開中斷，此時(shí)判斷計(jì)數(shù)器T1有否溢出中斷，單片機(jī)根據(jù)不同的時(shí)間，以查表的方式設(shè)置自動(dòng)增益控制電路的增益；當(dāng)有外部中斷信號(hào)時(shí)，單片機(jī)就停止T0的計(jì)時(shí)，計(jì)算出渡越時(shí)間t并存儲(chǔ)到E2PROM中；然后調(diào)用測溫子程序，采集超聲波測距時(shí)的環(huán)境溫度，并換算出準(zhǔn)確的聲速c，存儲(chǔ)到E2PROM中；單片機(jī)再調(diào)用計(jì)算子程序，計(jì)算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離，最后把測量結(jié)果存儲(chǔ)并通過數(shù)碼管電路顯示出來，完成一次測量。主程序流程如圖7。? 本超聲波測距系統(tǒng)采用新的設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測量，測量精度較高。由于采用收發(fā)一體式的測距電路，換能器振子必須在