一種基于單片機設計的高精度超聲波測距系統的改進(jìn)
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1 回波信號包絡(luò )研究
傳統的利用固定電平判斷回波到達時(shí)刻的超聲波測距方法存在較大誤差。針對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(lái)，從而導致測量數據不準確。
超聲傳感器通過(guò)壓電晶片的逆效應——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?jiǎn)蚊}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(guò)程中，傳感器晶片經(jīng)歷了起震、加強和衰減三種狀態(tài)，并產(chǎn)生多個(gè)諧振周期的超聲波；接收過(guò)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(guò)壓電效應在晶片兩端產(chǎn)生起伏電壓。廈門(mén)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，并根據聲的發(fā)射、反射理論及應用力——聲類(lèi)比，推導出了理想條件下的測距回波包絡(luò )曲線(xiàn)方程[2]。在此理論基礎上，通過(guò)大量實(shí)驗，每次發(fā)射1個(gè)脈沖寬度為時(shí)間?子的脈沖，來(lái)驗證這種超聲波回波起伏特性。圖1為通過(guò)放大、帶通濾波、AGC電路以后，用Tektronix數字存儲示波器存儲得到的回波波形。
可以驗證：超聲回波在脈寬時(shí)間處，電壓峰值達到最大，和童峰的理論分析基本吻合，這也為本文應用在判斷回波到達時(shí)刻的處理方法提供了理論和事實(shí)依據。根據上述對超聲回波波形特性的分析，本文提出了一種確定回波到達時(shí)刻的思路：在接收電路中加入精密的絕對值轉換電路，把回波信號的負電壓翻轉為正電壓，然后通過(guò)檢波電路，對波形進(jìn)行包絡(luò )，接著(zhù)輸入到微分電路，求出包絡(luò )曲線(xiàn)的峰值點(diǎn)，再通過(guò)過(guò)零檢測電路，向單片機發(fā)出外部中斷信號，停止計數器計時(shí)。單片機在發(fā)射完1個(gè)脈沖后，啟動(dòng)內部計數器計時(shí)到外部中斷觸發(fā)計數器停止計時(shí)，這段時(shí)間即為超聲波脈沖的渡越時(shí)間t。
2 超聲波測距原理及系統組成
超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現的。設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物體的距離d。本超聲波測距系統原理框圖如圖2所示。
該系統由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機、超聲波發(fā)射電路、發(fā)射接收轉換電路、接收前置放大電路、帶通濾波電路、自動(dòng)增益控制（AGC）電路、絕對值變換電路、檢波電路、過(guò)零檢測電路、環(huán)境溫度采集電路、E2PROM存儲電路、顯示電路和超聲波傳感器組成。AT89C52單片機為整個(gè)系統的核心部件，協(xié)調各部分電路的工作。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；單片機產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)三極管和變壓器放大后，通過(guò)發(fā)射接收轉換電路驅動(dòng)超聲波傳感器；每次發(fā)射1個(gè)脈沖，當脈沖發(fā)射后，啟動(dòng)計數器開(kāi)始計數；回波信號經(jīng)過(guò)發(fā)射驅動(dòng)接收轉換電路、前置放大電路、帶通濾波電路、自動(dòng)增益控制（AGC）電路、絕對值變換電路、檢波電路、過(guò)零檢測電路后輸入AT89C52單片機中，觸發(fā)外部中斷，單片機AT89C52停止計數器計數并計算出渡越時(shí)間t；環(huán)境溫度采集電路將現場(chǎng)溫度數據送到單片機中，通過(guò)計算來(lái)補償聲速，最后利用公式(1)計算出距離，并由顯示電路顯示出來(lái)。
3 系統硬件電路設計
3.1 超聲波發(fā)射驅動(dòng)及接收轉換電路
本系統的發(fā)射驅動(dòng)及接收轉換電路如圖3所示。
工作原理為：由AT89C52單片機產(chǎn)生40kHz的TTL脈沖信號通過(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，這時(shí)換能器上加載的正弦電壓幅值約為100V。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(guò)0.7V，以免前置放大電路的輸入端電壓因為過(guò)高而發(fā)生阻塞。
超聲波在空氣中傳播，遇到目標物體反射的回波信號加載到超聲波換能器上，換能器由于壓電效應產(chǎn)生微弱電壓信號，輸出的這種回波信號是mV級的電壓信號。由于二極管的導通電壓為0.7V，回波信號不能經(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。
3.2 自動(dòng)增益控制（AGC）電路
超聲波回波信號隨著(zhù)被測距離的變化，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)現增益隨時(shí)間呈指數變化的AGC電路有多種，本文設計了通過(guò)軟、硬件結合的AGC電路，它由可編程放大器AD620AN、數字電位器MAX5400結合單片機聯(lián)合實(shí)現。
AD620AN是一種電阻可編程放大器，內部由三運放組成，具有很高的精度和共模抑制比。增益范圍為1～1000，由管腳1、8之間的電阻調節。增益公式為：
MAX5400是一種具有256抽頭的數字電位器，端-端阻值為，溫度系數小于5ppm/℃，并帶有SPI接口。在本文中管腳3、4、5與單片機相連，實(shí)現電阻阻值的變化，管腳1、8與AD620AN的1、8端相連，從而實(shí)現增益的調節。
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