高精度超聲波測距系統的設計與實(shí)現

引言

　　在工程實(shí)踐中，超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應用于倒車(chē)雷達、測距儀、物位測量?jì)x、移動(dòng)機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長(cháng)度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測量精度方面也能達到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應用。

超聲波測距的基本原理

　　超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號，遇到被測物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器接收到。只要計算出超聲波信號從發(fā)射到接收到回波信號的時(shí)間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計算出距被測物體的距離：

　　d=s/2=(vt)/2 （1）

　　其中d為被測物到測距儀之間的距離，s為超聲波往返通過(guò)的路程，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系：

　　v=331.4+0.61T （2）

　　式中，T為實(shí)際溫度(℃)，v的單位為m/s。

　　壓電式超聲波傳感器的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類(lèi)是用機械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當它的兩極外加脈沖信號，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì )發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機械能轉換為電信號，這時(shí)即為超聲波接收器。

反射式超聲波測距儀的硬件電路設計

　　本系統硬件電路由單片機最小系統、溫度補償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構成，如圖1所示。

　　本超聲波測距儀的具體工作過(guò)程如下，在單片機產(chǎn)生復位信號后，由MC9S12DG128B產(chǎn)生一個(gè)控制信號，控制外圍電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為40kHz的超聲波。同時(shí)，計數MC9S12DG128B內部的定時(shí)器，測量超聲波信號從發(fā)出到接收所花的時(shí)間，并把經(jīng)超聲波換能器R接收到的超聲波信號放大、濾波、整形，并作為接收信號來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測得當前的環(huán)境溫度，讀入單片機，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應的測量值以及當前溫度。

　　微控制器MC9S12DG128B

　　MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲控制及加密方面有較強的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增強型16位S12 CPU，片內總線(xiàn)時(shí)鐘頻率最高可達25MHz；片內資源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時(shí)鐘頻率；它還提供2個(gè)8路10位精度A/D轉換器、控制器局域網(wǎng)CAN和增強型捕捉定時(shí)器，并支持背景調試模式（BDM）。

　　超聲波的發(fā)射電路

　　超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器T、40kHz的超音頻振蕩器、驅動(dòng)（或激勵）電路等組成，本設計利用門(mén)電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，組成的超聲波發(fā)射電路見(jiàn)圖2。

　　圖中，與非門(mén)74LS00和LM386組成超聲波發(fā)射電路，用74LS00構成多諧振蕩器，通過(guò)調節20k的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的40kHz信號，其中U3A為驅動(dòng)器，電路振蕩頻率f≈1/2.2RC，單片機的控制信號由U2A輸入。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設計利用了單運放LM386，發(fā)射距離可達4m。

　　超聲波的接收電路

　　超聲波接收電路如圖3所示。接收頭采用與發(fā)射頭配對的超聲波接收器R，將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?。為了進(jìn)行信號的整形，在設計中的CMOS電平的6非門(mén)芯片CD4069，可以減少電路的復雜程度，提高電路的帶負載能力。整形后的信號由C1耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567的輸入端3腳，當輸入信號的幅度落在其中心頻率上時(shí)，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖健?/p>

　　DS18B20溫度補償電路

　　根據上文中式（2）可知，溫度對聲速的影響較大，若不進(jìn)行補償，將會(huì )帶來(lái)測量誤差，為了提高系統的測量精度，設計了溫度補償電路。系統采用數字溫度傳感器DS18B20來(lái)采集溫度，DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的1-wire總線(xiàn)串行數字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種溫度測控系統。它的測量溫度范圍為-55℃~+125℃，精度可達0.0675℃，最大轉換時(shí)間為200ms。

　　數字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區別是：將溫度信號直接轉化成數字信號，然后通過(guò)串行通信的方式輸出。因此掌握DS18B20的通信協(xié)議是使用該器件的關(guān)鍵。該協(xié)議定義了幾種信號類(lèi)型：復位脈沖、應答脈沖時(shí)隙；寫(xiě)“0”、讀“1”時(shí)隙，讀“0”、讀“1”時(shí)隙。初始化后，傳感器輸出兩個(gè)字節的溫度，進(jìn)行數據處理后得到實(shí)際溫度的值，利用式（2）可計算補償聲速。

　　液晶顯示電路

　　字符點(diǎn)陣系列模塊是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數字、符號等的點(diǎn)陣型顯示模塊。分4位和8位數據傳輸方式。它提供5×7點(diǎn)陣+光標和5×10點(diǎn)陣+光標的顯示模式。提供顯示數據緩沖區DDRAM、字符發(fā)生器CGROM和字符發(fā)生器CGRAM，可以使用CGRAM來(lái)存儲自己定義的最多8個(gè)5×8點(diǎn)陣的圖形字符的字模數據。它提供了豐富的指令設置：清顯示，光標回原點(diǎn)，顯示開(kāi)/關(guān)，光標開(kāi)/關(guān)，顯示字符閃爍，光標移位，顯示移位等。提供內部上電自動(dòng)復位電路，當外加電源電壓超過(guò)+4.5V時(shí)，自動(dòng)對模塊進(jìn)行初始化操作，將模塊設置為默認的顯示工作狀態(tài)。OCM2X16顯示兩行字符，每行可以顯示16個(gè)字符。本設計采用OCM2X16，顯示兩行字符，一行顯示當前的環(huán)境溫度，一行顯示所測距離。

系統軟件設計

　　系統軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時(shí)器計時(shí)子程序、計算子程序、液晶顯示子程序等。主程序包括初始化和各個(gè)子程序的調用，最后把測量結果用液晶顯示屏顯示出來(lái)（見(jiàn)圖4）。

結論

　　本系統采用飛思卡爾單片機MC9S12DG128B做主控制器，可靠性好，抗干擾和電磁兼容性強，內部資源較豐富，軟件的工作量大大降低，而且支持背景調試（BDM）方式，編程更加方便，靈活。

　　在本設計中，通過(guò)外部硬件電路來(lái)產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，因而相對于由單片機產(chǎn)生的40kHz超聲波信號而言，更加接近超聲波傳感器的共振頻率，因而使超聲波傳感器的輸出最大，可以有效地提高測量距離，測量距離在0.3m~4m內。

　　本設計采用數字式溫度傳感器實(shí)現對單片機超聲波測距系統的溫度測量和補償，對聲速進(jìn)行補償，對引起測量誤差的因素進(jìn)行修正處理，提高了系統的測量精度及靈敏度，使探測精度不超過(guò)1cm，從而達到了很好的效果。