關于新型超聲波測距系統(tǒng)的原理與設計及實驗結果淺析

“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。文中所設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)的靈敏度和準確性，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。

概述：

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。

（1）激光測距：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。

（2）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。

（3）超聲波測距：超聲波為機械波，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。

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。文中所設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)的靈敏度和準確性，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。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，準確獲得了回波信號，進而測算出了距離值。經過實驗測試，文中所設計的測距系統(tǒng)不僅測量方法簡單，電路結構清晰，成本較低，而且測距性能優(yōu)良，可應用于工業(yè)非接觸測距等場所。

一、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。

二、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。

三、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。40 kHz 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

3. 2 PW0268 外圍電路

PW0268 的I_O 管腳是雙向管腳，當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動信號，之后PW0268 內部會啟動1 個計時信號（Tout） ，之后I_O 管腳由輸入轉變?yōu)檩敵瞿Ｊ?，并維持在高電平狀態(tài)。在Tout 計時周期內，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?shù)鹊絋out 計時完畢之后I_O 腳恢復成為輸入狀態(tài)將會再次啟動。當Driver_O 送出超聲波驅動信號完畢之后，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，最后進行回波振幅偵測比較然后輸出?；夭ㄐ盘栐诮涍^放大器增益處理之后送入內置比較器，當輸入振幅超過設置的閾值后便將輸出轉態(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為收到回波信號，從而計算出距離值。PW0268 內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)勢是其內部集成了時控放大器，其增益是以220 /F 為步進遞增的，其中F 是指PW0268的系統(tǒng)時鐘頻率，它是根據所要測量的最大距離計算得出的。

例如，在20 ℃標準大氣壓下，要測量的范圍是5 m，則超聲波傳輸時間：

此時PW0268 的時鐘頻率為：

進而可以算出增益步進的時間為：

因此對于最大測量距離為5 m 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. 92 ms 步進1 個臺階，進而補償超聲波在波程中幅值的衰減。時控增益步進如圖4 所示。

圖4 PW0268 的時控增益

四、超聲波測距系統(tǒng)軟件設計

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，當在最大等待時間內接收到回波信號則停止計時，根據環(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； 當在最大等待時間內收不到回波信號，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

五、實驗結果與分析

為標定超聲波測距系統(tǒng)測量精度，使用100 cm × 100 cm ×2 cm 硬平木板作障礙物進行測量，并用鋼卷尺測量實際距離作為標準值。經過試驗驗證，所設計的超聲波測距系統(tǒng)測量盲區(qū)約為300 mm，在（ 500 ~ 5 500） mm 范圍內對系統(tǒng)進行了3 次正反行程的標定試驗，并對實驗數(shù)據進行了分析和計算，測試數(shù)據如表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，即線性度為： 0. 11%，重復性為： 0. 15%，遲滯為0. 10%.

表1 3 次正反行程實驗數(shù)據表

圖6 三次正反行程實驗數(shù)據圖
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