一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　引言

　　在工程實(shí)踐中，超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測(cè)距儀、物位測(cè)量?jī)x、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長(zhǎng)度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

　　超聲波測(cè)距的基本原理

　　超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào)，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器接收到。只要計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收到回波信號(hào)的時(shí)間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)算出距被測(cè)物體的距離：

　　d=s/2=(vt)/2 （1）

　　其中d為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，s為超聲波往返通過(guò)的路程，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系：

　　v=331.4+0.61T （2）

　　式中，T為實(shí)際溫度(℃)，v的單位為m/s。

　　壓電式超聲波傳感器的原理

　　目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。

　　壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)即為超聲波接收器。

　　反射式超聲波測(cè)距儀的硬件電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構(gòu)成，如圖1所示。

　　
　　本超聲波測(cè)距儀的具體工作過(guò)程如下，在單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)后，由MC9S12DG128B產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制外圍電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為40kHz的超聲波。同時(shí)，計(jì)數(shù)MC9S12DG128B內(nèi)部的定時(shí)器，測(cè)量超聲波信號(hào)從發(fā)出到接收所花的時(shí)間，并把經(jīng)超聲波換能器R接收到的超聲波信號(hào)放大、濾波、整形，并作為接收信號(hào)來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測(cè)距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測(cè)得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機(jī)，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測(cè)量值以及當(dāng)前溫度。

　　微控制器MC9S12DG128B

　　MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲(chǔ)控制及加密方面有較強(qiáng)的功能。

　　MC9S12DG128B微控制器采用增強(qiáng)型16位S12 CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設(shè)置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時(shí)鐘頻率；它還提供2個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)CAN和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式（BDM）。

　　超聲波的發(fā)射電路

　　超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器T、40kHz的超音頻振蕩器、驅(qū)動(dòng)（或激勵(lì)）電路等組成，本設(shè)計(jì)利用門電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，組成的超聲波發(fā)射電路見(jiàn)圖2。

圖2 超聲波發(fā)射電路

　　
　　圖中，與非門74LS00和LM386組成超聲波發(fā)射電路，用74LS00構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)調(diào)節(jié)20k的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的40kHz信號(hào)，其中U3A為驅(qū)動(dòng)器，電路振蕩頻率f≈1/2.2RC，單片機(jī)的控制信號(hào)由U2A輸入。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計(jì)利用了單運(yùn)放LM386，發(fā)射距離可達(dá)4m。

　　超聲波的接收電路

　　超聲波接收電路如圖3所示。接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的超聲波接收器R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。為了進(jìn)行信號(hào)的整形，在設(shè)計(jì)中的CMOS電平的6非門芯片CD4069，可以減少電路的復(fù)雜程度，提高電路的帶負(fù)載能力。整形后的信號(hào)由C1耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567的輸入端3腳，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度落在其中心頻率上時(shí)，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖健?/p>

　　
　　DS18B20溫度補(bǔ)償電路

　　根據(jù)上文中式（2）可知，溫度對(duì)聲速的影響較大，若不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)采集溫度，DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的1-wire總線串行數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種溫度測(cè)控系統(tǒng)。它的測(cè)量溫度范圍為-55℃~+125℃，精度可達(dá)0.0675℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ms。

　　數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區(qū)別是：將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串行通信的方式輸出。因此掌握DS18B20的通信協(xié)議是使用該器件的關(guān)鍵。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖時(shí)隙；寫(xiě)“0”、讀“1”時(shí)隙，讀“0”、讀“1”時(shí)隙。初始化后，傳感器輸出兩個(gè)字節(jié)的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)際溫度的值，利用式（2）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。

　　液晶顯示電路

　　字符點(diǎn)陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型顯示模塊。分4位和8位數(shù)據(jù)傳輸方式。它提供5×7點(diǎn)陣+光標(biāo)和5×10點(diǎn)陣+光標(biāo)的顯示模式。提供顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)DDRAM、字符發(fā)生器CGROM和 "/mndz/search.php?keywords=字符發(fā)生器&search=1" target="_blank">字符發(fā)生器CGRAM，可以使用CGRAM來(lái)存儲(chǔ)自己定義的最多8個(gè)5×8點(diǎn)陣的圖形字符的字模數(shù)據(jù)。它提供了豐富的指令設(shè)置：清顯示，光標(biāo)回原點(diǎn)，顯示開(kāi)/關(guān)，光標(biāo)開(kāi)/關(guān)，顯示字符閃爍，光標(biāo)移位，顯示移位等。提供內(nèi)部上電自動(dòng)復(fù)位電路，當(dāng)外加電源電壓超過(guò)+4.5V時(shí)，自動(dòng)對(duì)模塊進(jìn)行初始化操作，將模塊設(shè)置為默認(rèn)的顯示工作狀態(tài)。OCM2X16顯示兩行字符，每行可以顯示16個(gè)字符。本設(shè)計(jì)采用OCM2X16，顯示兩行字符，一行顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，一行顯示所測(cè)距離。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時(shí)器計(jì)時(shí)子程序、計(jì)算子程序、液晶顯示子程序等。主程序包括初始化和各個(gè)子程序的調(diào)用，最后把測(cè)量結(jié)果用液晶顯示屏顯示出來(lái)（見(jiàn)圖4）。

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　　結(jié)論

　　本系統(tǒng)采用飛思卡爾單片機(jī)MC9S12DG128B做主控制器，可靠性好，抗干擾和電磁兼容性強(qiáng)，內(nèi)部資源較豐富，軟件的工作量大大降低，而且支持背景調(diào)試（BDM）方式，編程更加方便，靈活。

　　在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)外部硬件電路來(lái)產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，因而相對(duì)于由單片機(jī)產(chǎn)生的40kHz超聲波信號(hào)而言，更加接近超聲波傳感器的共振頻率，因而使超聲波傳感器的輸出最大，可以有效地提高測(cè)量距離，測(cè)量距離在0.3m~4m內(nèi)。

　　本設(shè)計(jì)采用數(shù)字式溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的溫度測(cè)量和補(bǔ)償，對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)引起測(cè)量誤差的因素進(jìn)行修正處理，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度及靈敏度，使探測(cè)精度不超過(guò)1cm，從而達(dá)到了很好的效果。

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