新型嵌入式超聲波測距系統

3。2PW0268外圍電路

PW0268的I_O管腳是雙向管腳，當一短暫的低電平脈沖加在此管腳時(shí)，Driver_O管腳開(kāi)始輸出超聲波振蕩驅動(dòng)信號，之后PW0268內部會(huì )啟動(dòng)1個(gè)計時(shí)信號（Tout），之后I_O管腳由輸入轉變?yōu)檩敵瞿Ｊ?，并維持在高電平狀態(tài)。在Tout計時(shí)周期內，由外部對I_O腳做任何下拉動(dòng)作均無(wú)法再度使Driver_O輸出振蕩波形，當等到Tout計時(shí)完畢之后I_O腳恢復成為輸入狀態(tài)將會(huì )再次啟動(dòng)。當Driver_O送出超聲波驅動(dòng)信號完畢之后，換能器由發(fā)射狀態(tài)變?yōu)榻邮諣顟B(tài)，收到的信號先送入PW0268的前置放大器，再通過(guò)時(shí)控增益放大器以及帶通濾波器，最后進(jìn)行回波振幅偵測比較然后輸出?；夭ㄐ盘栐诮?jīng)過(guò)放大器增益處理之后送入內置比較器，當輸入振幅超過(guò)設置的閾值后便將輸出轉態(tài)至高電平，此時(shí)I_O腳被拉至低電位。

C8051f320檢測到這個(gè)下降沿即認為收到回波信號，從而計算出距離值。PW0268內部原理及外圍電路如圖3所示。

圖3 PW0268 外圍電路

PW0268用于超聲波測距的最大優(yōu)勢是其內部集成了時(shí)控放大器，其增益是以220/F為步進(jìn)遞增的，其中F是指PW0268的系統時(shí)鐘頻率，它是根據所要測量的最大距離計算得出的。

例如，在20℃標準大氣壓下，要測量的范圍是5m，則超聲波傳輸時(shí)間：

此時(shí)PW0268的時(shí)鐘頻率為：

進(jìn)而可以算出增益步進(jìn)的時(shí)間為：

因此對于最大測量距離為5m的測距系統而言，PW0268在發(fā)出脈沖串后，時(shí)控放大器的增益會(huì )每過(guò)0。92ms步進(jìn)1個(gè)臺階，進(jìn)而補償超聲波在波程中幅值的衰減。時(shí)控增益步進(jìn)如圖4所示

圖4PW0268的時(shí)控增益

4超聲波測距系統軟件設計

系統的軟件由主程序、定時(shí)器計時(shí)程序、PCA捕捉中斷程序、環(huán)境溫度采集以及串行輸出和LCD顯示組成。

系統工作在連續實(shí)時(shí)測距狀態(tài)下，在初始化后，低電平觸發(fā)PW0268發(fā)出超聲波驅動(dòng)信號，同時(shí)開(kāi)啟PCA捕捉計時(shí)，系統開(kāi)始等待接收回波信號，當在最大等待時(shí)間內接收到回波信號則停止計時(shí)，根據環(huán)境溫度修正聲速后，計算出距離值并輸出顯示，一次完整的測距過(guò)程完成；當在最大等待時(shí)間內收不到回波信號，則計時(shí)清零重新觸發(fā)。系統運行的流程圖如圖5所示。

圖5系統流程圖

5實(shí)驗結果與分析

為標定超聲波測距系統測量精度，使用100cm×100cm×2cm硬平木板作障礙物進(jìn)行測量，并用鋼卷尺測量實(shí)際距離作為標準值。經(jīng)過(guò)試驗驗證，所設計的超聲波測距系統測量盲區約為300mm，在（500~5500）mm范圍內對系統進(jìn)行了3次正反行程的標定試驗，并對實(shí)驗數據進(jìn)行了分析和計算，測試數據如表1所示，擬合直線(xiàn)如圖6所示。由此計算出超聲波測距系統靜態(tài)特性指標，即線(xiàn)性度為：0。11%，重復性為：0。15%，遲滯為0。10%。

表13次正反行程實(shí)驗數據表

圖6三次正反行程實(shí)驗數據圖

6結束語(yǔ)

文中所設計的超聲波測距系統采用反激變換器不僅將發(fā)射超聲波的功率大幅度提高，而且有利于回波信號的判斷和接收，提高了測距系統的靈敏度和準確性。接收超聲波時(shí)使用時(shí)控增益放大器補償了信號在波程中的幅值衰減，準確獲得了回波信號，進(jìn)而測算出了距離值。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，文中所設計的測距系統不僅測量方法簡(jiǎn)單，電路結構清晰，成本較低，而且測距性能優(yōu)良，可應用于工業(yè)非接觸測距等場(chǎng)所。