新型嵌入式超聲波測距系統(tǒng)

3。2PW0268外圍電路

PW0268的I_O管腳是雙向管腳，當(dāng)一短暫的低電平脈沖加在此管腳時，Driver_O管腳開始輸出超聲波振蕩驅(qū)動信號，之后PW0268內(nèi)部會啟動1個計時信號（Tout），之后I_O管腳由輸入轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵瞿Ｊ?，并維持在高電平狀態(tài)。在Tout計時周期內(nèi)，由外部對I_O腳做任何下拉動作均無法再度使Driver_O輸出振蕩波形，當(dāng)?shù)鹊絋out計時完畢之后I_O腳恢復(fù)成為輸入狀態(tài)將會再次啟動。當(dāng)Driver_O送出超聲波驅(qū)動信號完畢之后，換能器由發(fā)射狀態(tài)變?yōu)榻邮諣顟B(tài)，收到的信號先送入PW0268的前置放大器，再通過時控增益放大器以及帶通濾波器，最后進(jìn)行回波振幅偵測比較然后輸出?；夭ㄐ盘栐诮?jīng)過放大器增益處理之后送入內(nèi)置比較器，當(dāng)輸入振幅超過設(shè)置的閾值后便將輸出轉(zhuǎn)態(tài)至高電平，此時I_O腳被拉至低電位。

C8051f320檢測到這個下降沿即認(rèn)為收到回波信號，從而計算出距離值。PW0268內(nèi)部原理及外圍電路如圖3所示。

圖3 PW0268 外圍電路

PW0268用于超聲波測距的最大優(yōu)勢是其內(nèi)部集成了時控放大器，其增益是以220/F為步進(jìn)遞增的，其中F是指PW0268的系統(tǒng)時鐘頻率，它是根據(jù)所要測量的最大距離計算得出的。

例如，在20℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，要測量的范圍是5m，則超聲波傳輸時間：

此時PW0268的時鐘頻率為：

進(jìn)而可以算出增益步進(jìn)的時間為：

因此對于最大測量距離為5m的測距系統(tǒng)而言，PW0268在發(fā)出脈沖串后，時控放大器的增益會每過0。92ms步進(jìn)1個臺階，進(jìn)而補償超聲波在波程中幅值的衰減。時控增益步進(jìn)如圖4所示

圖4PW0268的時控增益

4超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件由主程序、定時器計時程序、PCA捕捉中斷程序、環(huán)境溫度采集以及串行輸出和LCD顯示組成。

系統(tǒng)工作在連續(xù)實時測距狀態(tài)下，在初始化后，低電平觸發(fā)PW0268發(fā)出超聲波驅(qū)動信號，同時開啟PCA捕捉計時，系統(tǒng)開始等待接收回波信號，當(dāng)在最大等待時間內(nèi)接收到回波信號則停止計時，根據(jù)環(huán)境溫度修正聲速后，計算出距離值并輸出顯示，一次完整的測距過程完成；當(dāng)在最大等待時間內(nèi)收不到回波信號，則計時清零重新觸發(fā)。系統(tǒng)運行的流程圖如圖5所示。

圖5系統(tǒng)流程圖

5實驗結(jié)果與分析

為標(biāo)定超聲波測距系統(tǒng)測量精度，使用100cm×100cm×2cm硬平木板作障礙物進(jìn)行測量，并用鋼卷尺測量實際距離作為標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過試驗驗證，所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)測量盲區(qū)約為300mm，在（500~5500）mm范圍內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行了3次正反行程的標(biāo)定試驗，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和計算，測試數(shù)據(jù)如表1所示，擬合直線如圖6所示。由此計算出超聲波測距系統(tǒng)靜態(tài)特性指標(biāo)，即線性度為：0。11%，重復(fù)性為：0。15%，遲滯為0。10%。

表13次正反行程實驗數(shù)據(jù)表

圖6三次正反行程實驗數(shù)據(jù)圖

6結(jié)束語

文中所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)采用反激變換器不僅將發(fā)射超聲波的功率大幅度提高，而且有利于回波信號的判斷和接收，提高了測距系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確性。接收超聲波時使用時控增益放大器補償了信號在波程中的幅值衰減，準(zhǔn)確獲得了回波信號，進(jìn)而測算出了距離值。經(jīng)過實驗測試，文中所設(shè)計的測距系統(tǒng)不僅測量方法簡單，電路結(jié)構(gòu)清晰，成本較低，而且測距性能優(yōu)良，可應(yīng)用于工業(yè)非接觸測距等場所。