基于MAXQ7667的超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用研究

基于MAXQ7667的超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用研究基于MAXQ7667的超聲波測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用研究1.引言2.超聲測(cè)距系統(tǒng)及其原理超聲波測(cè)距系統(tǒng)是由發(fā)射電路、接收電路、超聲波換能器以及MAXQ7667主控芯片構(gòu)成，如圖1。其中，用于發(fā)送和接收的超聲波的元件稱為超聲波換能器。在發(fā)射狀態(tài)下，超聲波換能器將發(fā)射電路輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與其頻率相等的超聲波；在接收狀態(tài)下，超聲波換能器將接收的聲波轉(zhuǎn)換成與其頻率相等的電信號(hào)。由于超聲波在均勻的介質(zhì)中傳播的速度的是一定的，只要計(jì)算出超聲波從點(diǎn)A到點(diǎn)B的飛行時(shí)間t，并且得知超聲波此時(shí)的速度v，就可以得到A與B的間隔s，即：〔1〕3.硬件構(gòu)成3.1MAXQ7667單片機(jī)3.2發(fā)射與接收電路3.3溫度補(bǔ)償在空氣中，不同溫度下聲波的聲速是不同的，可以表示為以下的關(guān)系[3]：〔2〕式中T為空氣的溫度，單位為攝氏度〔℃〕。為了進(jìn)步溫度檢測(cè)的精度，選用DS18B20這款數(shù)字溫度傳感器。由于其獨(dú)特的單線接口方式[4]，僅需要將DS18B20的DQ于MAXQ7667的P0.7口相連就可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，如圖3。其測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，測(cè)量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送，測(cè)量溫度分辨率可以到達(dá)0.0625℃，可以滿足測(cè)距系統(tǒng)的要求。3.4數(shù)據(jù)傳輸顯示4.軟件設(shè)計(jì)4.1主程序流程圖圖5為測(cè)距程序流程圖，其中由于當(dāng)目的很靠近換能器時(shí)，存在著死區(qū)[7]，因此需要在發(fā)送聲波之后，設(shè)置一個(gè)0.2ms的延時(shí)程序，防止死區(qū)所引起的錯(cuò)誤測(cè)量。4.2關(guān)鍵存放器的設(shè)置考慮到系統(tǒng)所采用的換能器特性，采取了驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為50KHz的脈沖信號(hào)，一次發(fā)送7個(gè)脈沖，系統(tǒng)所選的是16MHz的的晶振。以下是一些關(guān)鍵的初始化設(shè)置：〔涉及到所需脈沖的頻率〕〔涉及到所需脈沖的頻率〕在檢測(cè)聲波的過程中，需要用到下面的設(shè)置：翻開低噪聲放大器翻開ADC翻開鎖相環(huán)，可用于設(shè)定脈沖的頻率途徑存放器，用于保存輸出值5.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析雖然在實(shí)際的測(cè)量中，接收到的聲波并沒有經(jīng)過放大，但為了便于觀察，在靠近換能器的位置增加了兩級(jí)放大和一個(gè)帶通濾波器，總共放大50倍來觀察接收到的聲波波形，如圖5～7。從圖5和圖6中可以看到，當(dāng)間隔目的較近的時(shí)候，回波的信號(hào)在經(jīng)過放大后，電壓峰峰值最高是有數(shù)百毫伏的。而間隔較遠(yuǎn)時(shí)，如圖7為6米處經(jīng)過放大后的回波波形峰峰值只有120mV左右，可以計(jì)算出，放大前的回波峰峰值只有1-3mV，信號(hào)較為微弱，并且會(huì)隨著間隔的增加而使得幅值衰減[5，6]。而在實(shí)際運(yùn)用中，由于MAXQ7667內(nèi)部有放大電路和帶通濾波器，因此不需要外部再增加放大電路，簡(jiǎn)單方便了許多，進(jìn)而降低了本錢。實(shí)物圖如圖8所示。在修正系統(tǒng)的誤差之前，測(cè)試環(huán)境在30℃下，得到表1的數(shù)據(jù)，得出其誤差曲線如圖9。其線性趨近線為：〔3〕式中s為被測(cè)目的與換能器的間隔，為需要修正的誤差值，單位都是mm。經(jīng)過修正后，分別在28℃和20℃下測(cè)量到的數(shù)據(jù)分別如表2和表3。從表2和表3可以看出，測(cè)距系統(tǒng)的誤差進(jìn)一步減小，間隔在0.5m內(nèi)時(shí)，絕對(duì)誤差在2mm內(nèi)。但由于溫度的檢測(cè)仍然存在一定的誤差，使得在28℃下，系統(tǒng)的誤差是往負(fù)方向偏離，而在20℃，系統(tǒng)的誤差是往正方向偏離，要解決這一問題，需要進(jìn)步溫度檢測(cè)的精度，或者在多個(gè)不同的溫度下進(jìn)展修正，使得由溫度引起的誤差進(jìn)一步減小。6.結(jié)論實(shí)驗(yàn)說明，該超聲測(cè)距系統(tǒng)的量程在8米內(nèi)的誤差小于1cm，誤差精度小于0.5%。目前，該研究已得到初步應(yīng)用，其性能穩(wěn)定可靠，為進(jìn)步室內(nèi)定位的精度提供了一個(gè)可行并且本錢較低的測(cè)距方案。參考文獻(xiàn)[2]潘仲明,簡(jiǎn)盈,王躍科.大作用間隔超聲波傳感技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2022,19[3]買買提熱夏提middot;買買提,亞森江middot;吾普爾,復(fù)爾開提middot;夏爾丁.淺談空氣中的聲速與溫度關(guān)系[J].物理實(shí)驗(yàn),2022,27(11):42-47.[4]王寅觀.超聲波液體濃度計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,1987,16(4):16.[5]祝琴.擴(kuò)頻技術(shù)在超聲測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].湖南:國(guó)防科技大學(xué),2022.[6]時(shí)瑋,孟軍,劉波.溫度修正的超聲波測(cè)距控制技術(shù)[J].機(jī)械工程與