新型嵌入式超聲波測距系統(tǒng)

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、反激變換器和專用集成電路PW0268為核心器件的超聲波測距系統(tǒng)及其硬件和軟件的設計方案。系統(tǒng)中還集成了聲速的溫度補償、串行輸出和LCD顯示等功能，能實時修正超聲速度和顯示測量值。實驗結果表明，該超聲波測距系統(tǒng)具有測量數(shù)據(jù)準確，線性度高、重復性好、遲滯小、成本低等優(yōu)點，可廣泛應用于工業(yè)中非接觸測距場所。

0引言

在工業(yè)測距場合中，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、紅外線和超聲波是非接觸測距中較常采用的測量介質。激光測距雖然測距精度高，操作簡單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統(tǒng)檢測不易維護，價格也比較昂貴。

紅外測距易受環(huán)境光照度和光線色彩的影響，而且測量精度不高。相比較前兩者，超聲波是機械波，具有不受光線影響，不受電磁干擾，成本低等特點，能夠定點和連續(xù)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、倒車雷達、機器人避障以及其他一些工業(yè)現(xiàn)場等方面。因此，近些年來，人們對超聲測距進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個問題，在保證線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(tǒng)原理

目前超聲測距的方法中，廣泛采用的是回波時間法。該方法的主要原理是通過閾值比較或相位相關等方法檢測換能器從發(fā)射超聲波到收到回波信號的時間t，再根據(jù)測量時的超聲波速度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(shù)：

回波時間法測距的主要誤差來源于聲速的變化、回波信號的衰減以及接收閾值的設置。在測量回波時間上，閾值比較法測回波時間簡單實用，但容易受到環(huán)境噪聲的影響；相位相關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，會增加硬件和軟件的成本。

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

認真分析研究上述方法優(yōu)缺點后，文中在脈沖時間法的基礎上，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(tǒng)電路結構簡單，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(tǒng)

超聲波測距系統(tǒng)整體原理框圖如圖1所示。超聲波測距系統(tǒng)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(tǒng)型微處理器，具有高達25MIPS的高速流水線結構的微控制器內核，擁有全速非侵入式的在系統(tǒng)調試接口。在超聲波測距系統(tǒng)中采用這款微處理器的主要原因是它具有5個捕捉/比較模塊和具有看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），這不僅使測算回波時間非常方便和準確，而且可以同時控制5個超聲波測距模塊工作。

圖1 超聲波測距系統(tǒng)整體原理框圖

該測距系統(tǒng)的發(fā)射與接收部分主要是由反激變換器和專用集成電路PM0268構成的。反激變換器相對于正激式的變換器的主要優(yōu)點是不需要輸出濾波電感，這一點對減小變換器體積，降低成本很重要。PW0268是超聲波測距的專用集成電路，片內有兩組可調式RC振蕩器，1個是系統(tǒng)參考時基，另1個是超聲波振蕩頻率。超聲波RC振蕩器具有自動變頻的功能，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32階增益的時控放大器，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個僅需外加少量電阻及電容組成的帶通濾波器，以及1個高速比較器，可將放大后的回波信號轉換成微處理器可處理的TTL數(shù)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(tǒng)還具有聲速實時補償，測量結果實時顯示等功能。

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反激變換器驅動電路

在超聲波發(fā)射電路中借鑒了開關電源中常用的反激變換器，對超聲波驅動的電壓信號進行了大幅度的抬升，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。驅動電路如圖2所示。40kHz的脈沖串通過控制場效應管不斷地通斷，使變換器原級電壓耦合到次級完成電壓抬升，驅動換能器發(fā)出超聲波。其中，變換器的設計除了要考慮開關場效應管的最大電壓應力，還要著重考慮變換器原、次級電流有效值、磁芯飽和度以及與換能器阻抗匹配等問題。

圖2反激變換器驅動電路

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）

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