新型嵌入式超聲波測距系統

摘要：為了增大超聲波發(fā)射功率和準確接收回波信號，在分析超聲波測距誤差原因和考慮軟、硬件成本的基礎上，提出了一種以C8051F320微控制器、反激變換器和專(zhuān)用集成電路PW0268為核心器件的超聲波測距系統及其硬件和軟件的設計方案。系統中還集成了聲速的溫度補償、串行輸出和LCD顯示等功能，能實(shí)時(shí)修正超聲速度和顯示測量值。實(shí)驗結果表明，該超聲波測距系統具有測量數據準確，線(xiàn)性度高、重復性好、遲滯小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應用于工業(yè)中非接觸測距場(chǎng)所。

0引言

在工業(yè)測距場(chǎng)合中，由于工作要求和復雜環(huán)境常常采用非接觸測距的方法。激光、紅外線(xiàn)和超聲波是非接觸測距中較常采用的測量介質(zhì)。激光測距雖然測距精度高，操作簡(jiǎn)單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統檢測不易維護，價(jià)格也比較昂貴。

紅外測距易受環(huán)境光照度和光線(xiàn)色彩的影響，而且測量精度不高。相比較前兩者，超聲波是機械波，具有不受光線(xiàn)影響，不受電磁干擾，成本低等特點(diǎn)，能夠定點(diǎn)和連續測量物位，在有灰塵、煙霧、有腐蝕等惡劣環(huán)境下具有較好的適應能力，廣泛應用于物位測量、機械手控制、倒車(chē)雷達、機器人避障以及其他一些工業(yè)現場(chǎng)等方面。因此，近些年來(lái)，人們對超聲測距進(jìn)行了很多的探討和研究。目前所研究的超聲波測距傳感器測距范圍普遍較小，線(xiàn)性度和重復性較差。文中所提出的研究方法能很好的解決這2個(gè)問(wèn)題，在保證線(xiàn)性度和重復性均不低于1。5‰的前提下，測量范圍達到了5m以上。

1超聲波測距系統原理

目前超聲測距的方法中，廣泛采用的是回波時(shí)間法。該方法的主要原理是通過(guò)閾值比較或相位相關(guān)等方法檢測換能器從發(fā)射超聲波到收到回波信號的時(shí)間t，再根據測量時(shí)的超聲波速度v，求出距離s。計算公式是：

式中速度v 是環(huán)境溫度T 的函數：

回波時(shí)間法測距的主要誤差來(lái)源于聲速的變化、回波信號的衰減以及接收閾值的設置。在測量回波時(shí)間上，閾值比較法測回波時(shí)間簡(jiǎn)單實(shí)用，但容易受到環(huán)境噪聲的影響；相位相關(guān)法相對于閾值比較法誤差小，不容易受到外界噪聲干擾，但是對微處理器的速度和存儲有很高的要求，會(huì )增加硬件和軟件的成本。

有別于回波時(shí)間法，另外一種廣泛采用的測距方法是相位差法，主要是根據機械波的波動(dòng)原理，2π的相位變化對應的是機械波的1個(gè)波長(cháng)，根據發(fā)射波和返回波的相位差計算波長(cháng)差，進(jìn)而得到距離值。這種方法測量精度高，但僅限于距離在1個(gè)波長(cháng)范圍內的測量，而且相位差的鑒別也會(huì )大幅度增加設計成本。

認真分析研究上述方法優(yōu)缺點(diǎn)后，文中在脈沖時(shí)間法的基礎上，利用閾值比較原理，超聲波發(fā)射模塊采用反激變換器提高超聲波的發(fā)射功率，接收模塊采用時(shí)控增益放大器準確獲得回波信號，最后測算出距離值。采用這兩種核心器件不僅使得測距系統電路結構簡(jiǎn)單，設計成本低，而且測量范圍大，靜態(tài)特性良好。

2超聲測距系統

超聲波測距系統整體原理框圖如圖1所示。超聲波測距系統的主控部分是C8051f320單片機，它是完全集成的混合信號片上系統型微處理器，具有高達25MIPS的高速流水線(xiàn)結構的微控制器內核，擁有全速非侵入式的在系統調試接口。在超聲波測距系統中采用這款微處理器的主要原因是它具有5個(gè)捕捉/比較模塊和具有看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計數器/定時(shí)器陣列（PCA），這不僅使測算回波時(shí)間非常方便和準確，而且可以同時(shí)控制5個(gè)超聲波測距模塊工作。

圖1 超聲波測距系統整體原理框圖

該測距系統的發(fā)射與接收部分主要是由反激變換器和專(zhuān)用集成電路PM0268構成的。反激變換器相對于正激式的變換器的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要輸出濾波電感，這一點(diǎn)對減小變換器體積，降低成本很重要。PW0268是超聲波測距的專(zhuān)用集成電路，片內有兩組可調式RC振蕩器，1個(gè)是系統參考時(shí)基，另1個(gè)是超聲波振蕩頻率。超聲波RC振蕩器具有自動(dòng)變頻的功能，可以修正因溫度而造成換能器諧振頻率的飄移。片內還集成了1個(gè)32階增益的時(shí)控放大器，它可以方便的補償超聲波在波程中幅值的衰減。PW0268還內置1個(gè)僅需外加少量電阻及電容組成的帶通濾波器，以及1個(gè)高速比較器，可將放大后的回波信號轉換成微處理器可處理的TTL數字信號。

另外，由于集成了環(huán)境溫度補償和LCD顯示電路，該測距系統還具有聲速實(shí)時(shí)補償，測量結果實(shí)時(shí)顯示等功能。

3超聲波測距硬件電路設計

超聲波的發(fā)射與接收電路是超聲波測距的核心電路，主要包括反激變換器驅動(dòng)換能器電路和PW0268外圍電路的計算與設計。

3。1反激變換器驅動(dòng)電路

在超聲波發(fā)射電路中借鑒了開(kāi)關(guān)電源中常用的反激變換器，對超聲波驅動(dòng)的電壓信號進(jìn)行了大幅度的抬升，使發(fā)出的超聲波信號足夠強以有利于回波信號的準確判斷。驅動(dòng)電路如圖2所示。40kHz的脈沖串通過(guò)控制場(chǎng)效應管不斷地通斷，使變換器原級電壓耦合到次級完成電壓抬升，驅動(dòng)換能器發(fā)出超聲波。其中，變換器的設計除了要考慮開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應管的最大電壓應力，還要著(zhù)重考慮變換器原、次級電流有效值、磁芯飽和度以及與換能器阻抗匹配等問(wèn)題。

圖2反激變換器驅動(dòng)電路

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