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
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事先通過實驗，在0～3米的距離內(nèi)，每隔30厘米測量一次，把較為理想的放大倍數(shù)換算成數(shù)字電位器的抽頭位置，并把這些位置參數(shù)列表并固化到E2PROM中。單片機以計時器中斷的方式來設(shè)置增益，到了一定時刻就由內(nèi)部定時器產(chǎn)生一次中斷，中斷服務(wù)子程序通過查表方式獲得對應(yīng)的增益，然后通過SPI接口設(shè)置對應(yīng)增益。
3.3 溫度補償
超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速c與溫度有關(guān)[3]。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補償問題?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可以表示為：
式中，T為環(huán)境攝氏溫度℃。
為了提高系統(tǒng)的測量精度，本文設(shè)計了溫度補償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度計DS1820采集溫度。DS1820是美國DALAS公司推出的單線串行數(shù)字溫度計，可直接與單片機連接，并且接線形式簡單[4]，測量范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)測量精度為0.5℃。傳感器輸出的是用9位二進制編碼表示的溫度值。根據(jù)實際溫度的值，利用公式（3）可計算補償聲速。
3.4 絕對值變換和包絡(luò)電路
本系統(tǒng)的絕對值變換和包絡(luò)電路原理圖如圖4所示。
絕對值變換電路中，當輸入信號Vin為負時，D7導通，U13B為倒相放大器；Vin為正時，D8導通，U13A為非倒相放大器。無論輸入信號的電壓極性如何，其輸出總是正電壓，且幅值不變[5]。如前所述，回波信號經(jīng)過絕對值變換電路以后，負電壓被翻轉(zhuǎn)為正電壓，且頻率倍增，然后通過二極管D9、電容C56組成的檢波電路對新波形進行包絡(luò)。根據(jù)超聲波回波起伏特性，頻率倍增后包絡(luò)曲線更加平滑。在本電路中，檢波電路中的電容值要匹配合適，絕對值變換電路中集成運算放大器選用TL082。波形包絡(luò)原理如圖5所示。
3.5 微分電路和過零檢測
回波包絡(luò)信號通過微分電路，電壓峰值點處取導數(shù)為零，過零檢測電路在信號的過零點時刻發(fā)送脈沖信號給單片機外部中斷INT0，單片機停止計時，從而捕捉到回波信號到達時刻。包絡(luò)信號微分和過零檢測原理如圖6所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本測距系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、發(fā)射子程序、計算子程序、數(shù)碼顯示子程序、外部中斷子程序和定時器中斷子程序。主程序完成初始化后調(diào)用發(fā)射子程序，由P1.0口發(fā)射1個脈沖，驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，并關(guān)外部中斷，計數(shù)器T0、T1同時開始計時；為防止虛假回波的干擾，在延時一段時間后，開中斷，此時判斷計數(shù)器T1有否溢出中斷，單片機根據(jù)不同的時間，以查表的方式設(shè)置自動增益控制電路的增益；當有外部中斷信號時，單片機就停止T0的計時，計算出渡越時間t并存儲到E2PROM中；然后調(diào)用測溫子程序，采集超聲波測距時的環(huán)境溫度，并換算出準確的聲速c，存儲到E2PROM中；單片機再調(diào)用計算子程序，計算出傳感器到目標物體之間的距離，最后把測量結(jié)果存儲并通過數(shù)碼管電路顯示出來，完成一次測量。主程序流程如圖7。
本超聲波測距系統(tǒng)采用新的設(shè)計方法，并在實驗室環(huán)境中進行測量，測量精度較高。由于采用收發(fā)一體式的測距電路，換能器振子必須在余震消除后才能進行接收，因此該測距系統(tǒng)有很大的盲區(qū)。因為電路的延遲及包絡(luò)峰值點后移，導致測量計時有所增大，進而導致測量數(shù)據(jù)的偏大。本系統(tǒng)采用前置放大器、AGC電路、過零檢測等電路對接收信號進行處理，取得了良好的效果。在近距離測量范圍內(nèi)，這種方法可以達到厘米級。
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