一種基于單片機設計的高精度超聲波測距系統的改進(jìn)

式中，T為環(huán)境攝氏溫度℃。

為了提高系統的測量精度，本文設計了溫度補償電路。系統采用數字溫度計DS1820采集溫度。DS1820是美國DALAS公司推出的單線(xiàn)串行數字溫度計，可直接與單片機連接，并且接線(xiàn)形式簡(jiǎn)單[4]，測量范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內測量精度為0.5℃。傳感器輸出的是用9位二進(jìn)制編碼表示的溫度值。根據實(shí)際溫度的值，利用公式（3）可計算補償聲速。

3.4 絕對值變換和包絡(luò )電路

本系統的絕對值變換和包絡(luò )電路原理圖如圖4所示。

絕對值變換電路中，當輸入信號Vin為負時(shí)，D7導通，U13B為倒相放大器；Vin為正時(shí)，D8導通，U13A為非倒相放大器。無(wú)論輸入信號的電壓極性如何，其輸出總是正電壓，且幅值不變[5]。如前所述，回波信號經(jīng)過(guò)絕對值變換電路以后，負電壓被翻轉為正電壓，且頻率倍增，然后通過(guò)二極管D9、電容C56組成的檢波電路對新波形進(jìn)行包絡(luò )。根據超聲波回波起伏特性，頻率倍增后包絡(luò )曲線(xiàn)更加平滑。在本電路中，檢波電路中的電容值要匹配合適，絕對值變換電路中集成運算放大器選用TL082。波形包絡(luò )原理如圖5所示。


3.5 微分電路和過(guò)零檢測

回波包絡(luò )信號通過(guò)微分電路，電壓峰值點(diǎn)處取導數為零，過(guò)零檢測電路在信號的過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻發(fā)送脈沖信號給單片機外部中斷INT0，單片機停止計時(shí)，從而捕捉到回波信號到達時(shí)刻。包絡(luò )信號微分和過(guò)零檢測原理如圖6所示。


4 系統軟件設計

本測距系統軟件包括主程序、溫度采集子程序、發(fā)射子程序、計算子程序、數碼顯示子程序、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用發(fā)射子程序，由P1.0口發(fā)射1個(gè)脈沖，驅動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，并關(guān)外部中斷，計數器T0、T1同時(shí)開(kāi)始計時(shí)；為防止虛假回波的干擾，在延時(shí)一段時(shí)間后，開(kāi)中斷，此時(shí)判斷計數器T1有否溢出中斷，單片機根據不同的時(shí)間，以查表的方式設置自動(dòng)增益控制電路的增益；當有外部中斷信號時(shí)，單片機就停止T0的計時(shí)，計算出渡越時(shí)間t并存儲到E2PROM中；然后調用測溫子程序，采集超聲波測距時(shí)的環(huán)境溫度，并換算出準確的聲速c，存儲到E2PROM中；單片機再調用計算子程序，計算出傳感器到目標物體之間的距離，最后把測量結果存儲并通過(guò)數碼管電路顯示出來(lái)，完成一次測量。主程序流程如圖7。

本超聲波測距系統采用新的設計方法，并在實(shí)驗室環(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，換能器振子必須在余震消除后才能進(jìn)行接收，因此該測距系統有很大的盲區。因為電路的延遲及包絡(luò )峰值點(diǎn)后移，導致測量計時(shí)有所增大，進(jìn)而導致測量數據的偏大。本系統采用前置放大器、AGC電路、過(guò)零檢測等電路對接收信號進(jìn)行處理，取得了良好的效果。在近距離測量范圍內，這種方法可以達到厘米級。