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(zhǔn)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(chǔ)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(shè)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(jié)果表明，該超聲波測距系統(tǒng)具有測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，線性度高、重復(fù)性好、遲滯小、成本低等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)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(fù)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(zhì)。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(yīng)能力，廣泛應(yīng)用于物位測量、機械手控制、倒車?yán)走_、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(fù)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(fù)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(guān)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(shè)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(guān)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(yīng)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(nèi)的測量，而且相位差的鑒別也會大幅度增加設(shè)計成本。

認(rèn)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(chǔ)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)簡單，設(shè)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(jié)構(gòu)的微控制器內(nèi)核，擁有全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)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(zhǔn)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(gòu)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(nèi)有兩組可調(diào)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(jié)果實時顯示等功能。

3超聲波測距硬件電路設(shè)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(qū)動換能器電路和PW0268外圍電路的計算與設(shè)計。

3。1反激變換器驅(qū)動電路

在超聲波發(fā)射電路中借鑒了開關(guān)電源中常用的反激變換器，對超聲波驅(qū)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(zhǔn)確判斷。驅(qū)動電路如圖2所示。40kHz的脈沖串通過控制場效應(yīng)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(qū)動換能器發(fā)出超聲波。其中，變換器的設(shè)計除了要考慮開關(guān)場效應(yīng)管的最大電壓應(yīng)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(qū)動電路

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