一種基于單片機設(shè)計的高精度超聲波測距系統(tǒng)的改進
加入技術(shù)交流群
1 回波信號包絡(luò)研究
傳統(tǒng)的利用固定電平判斷回波到達時刻的超聲波測距方法存在較大誤差。針對這種誤差提出的可變閾值的超聲波測距方法，由于干擾信號的存在，超聲波測距主芯片會產(chǎn)生誤判回波時刻的到來，從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
超聲傳感器通過壓電晶片的逆效應(yīng)——電致伸縮，在空氣介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。測距所用超聲波一般都是以間斷的高壓單脈沖發(fā)射，每測距一次，需要發(fā)射、接收一次。所以在測距脈沖的發(fā)射過程中，傳感器晶片經(jīng)歷了起震、加強和衰減三種狀態(tài)，并產(chǎn)生多個諧振周期的超聲波；接收過程中，傳感器晶片在多個諧振周期的超聲脈沖作用下，通過壓電效應(yīng)在晶片兩端產(chǎn)生起伏電壓。廈門大學(xué)的童峰等研究了單脈沖發(fā)射時超聲回波的起伏特性，并根據(jù)聲的發(fā)射、反射理論及應(yīng)用力——聲類比，推導(dǎo)出了理想條件下的測距回波包絡(luò)曲線方程[2]。在此理論基礎(chǔ)上，通過大量實驗，每次發(fā)射1個脈沖寬度為時間?子的脈沖，來驗證這種超聲波回波起伏特性。圖1為通過放大、帶通濾波、AGC電路以后，用Tektronix數(shù)字存儲示波器存儲得到的回波波形。
可以驗證：超聲回波在脈寬時間處，電壓峰值達到最大，和童峰的理論分析基本吻合，這也為本文應(yīng)用在判斷回波到達時刻的處理方法提供了理論和事實依據(jù)。根據(jù)上述對超聲回波波形特性的分析，本文提出了一種確定回波到達時刻的思路：在接收電路中加入精密的絕對值轉(zhuǎn)換電路，把回波信號的負電壓翻轉(zhuǎn)為正電壓，然后通過檢波電路，對波形進行包絡(luò)，接著輸入到微分電路，求出包絡(luò)曲線的峰值點，再通過過零檢測電路，向單片機發(fā)出外部中斷信號，停止計數(shù)器計時。單片機在發(fā)射完1個脈沖后，啟動內(nèi)部計數(shù)器計時到外部中斷觸發(fā)計數(shù)器停止計時，這段時間即為超聲波脈沖的渡越時間t。
2 超聲波測距原理及系統(tǒng)組成
超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離d可用下式求出：
從式(1)可知，只要知道超聲波在空氣中的傳播速度c，則測出傳播聲時t就可求出傳感器到目標(biāo)物體的距離d。本超聲波測距系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
該系統(tǒng)由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機、超聲波發(fā)射電路、發(fā)射接收轉(zhuǎn)換電路、接收前置放大電路、帶通濾波電路、自動增益控制（AGC）電路、絕對值變換電路、檢波電路、過零檢測電路、環(huán)境溫度采集電路、E2PROM存儲電路、顯示電路和超聲波傳感器組成。AT89C52單片機為整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部分電路的工作。傳感器選用TCF40-16型收發(fā)一體式超聲波傳感器,諧振頻率為40kHz；單片機產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)三極管和變壓器放大后，通過發(fā)射接收轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動超聲波傳感器；每次發(fā)射1個脈沖，當(dāng)脈沖發(fā)射后，啟動計數(shù)器開始計數(shù)；回波信號經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動接收轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、帶通濾波電路、自動增益控制（AGC）電路、絕對值變換電路、檢波電路、過零檢測電路后輸入AT89C52單片機中，觸發(fā)外部中斷，單片機AT89C52停止計數(shù)器計數(shù)并計算出渡越時間t；環(huán)境溫度采集電路將現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)送到單片機中，通過計算來補償聲速，最后利用公式(1)計算出距離，并由顯示電路顯示出來。
3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3.1 超聲波發(fā)射驅(qū)動及接收轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)的發(fā)射驅(qū)動及接收轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
工作原理為：由AT89C52單片機產(chǎn)生40kHz的TTL脈沖信號通過P1.0輸出，再經(jīng)過三極管Q1和變壓器TR1進行功率放大，在變壓器副線圈上將電壓10倍放大，這時換能器上加載的正弦電壓幅值約為100V。在變壓器TR1原線圈上，串聯(lián)了限流電阻R2；變壓器TR1副線圈上，R3是與超聲波換能器進行阻抗匹配的電阻，在副線圈導(dǎo)通時，由于加在換能器上的電壓很大(100V)，接地的兩個反向并聯(lián)的二極管對后面接收電路的前置放大電路輸入端進行鉗位，使其電壓最大不超過0.7V，以免前置放大電路的輸入端電壓因為過高而發(fā)生阻塞。
超聲波在空氣中傳播，遇到目標(biāo)物體反射的回波信號加載到超聲波換能器上，換能器由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生微弱電壓信號，輸出的這種回波信號是mV級的電壓信號。由于二極管的導(dǎo)通電壓為0.7V，回波信號不能經(jīng)過兩個反向并聯(lián)的IN4148和變壓器副線圈構(gòu)成回路，只能經(jīng)過電阻R4、電容C3送入前置放大電路的輸入端。
3.2 自動增益控制（AGC）電路
超聲波回波信號隨著被測距離的變化，其幅值變化也很大，必須經(jīng)過增益控制，以滿足整形電路的要求。實現(xiàn)增益隨時間呈指數(shù)變化的AGC電路有多種，本文設(shè)計了通過軟、硬件結(jié)合的AGC電路，它由可編程放大器AD620AN、數(shù)字電位器MAX5400結(jié)合單片機聯(lián)合實現(xiàn)。
AD620AN是一種電阻可編程放大器，內(nèi)部由三運放組成，具有很高的精度和共模抑制比。增益范圍為1～1000，由管腳1、8之間的電阻調(diào)節(jié)。增益公式為：
MAX5400是一種具有256抽頭的數(shù)字電位器，端-端阻值為，溫度系數(shù)小于5ppm/℃，并帶有SPI接口。在本文中管腳3、4、5與單片機相連，實現(xiàn)電阻阻值的變化，管腳1、8與AD620AN的1、8端相連，從而實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。
絕對值編碼器相關(guān)文章:絕對值編碼器原理
評論