新型嵌入式超聲波測(cè)距系統(tǒng)

摘要：為了增大超聲波發(fā)射功率和準(zhǔn)確接收回波信號(hào)，在分析超聲波測(cè)距誤差原因和考慮軟、硬件成本的基礎(chǔ)上，提出了一種以C8051F320微控制器、反激變換器和專用集成電路PW0268為核心器件的超聲波測(cè)距系統(tǒng)及其硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)中還集成了聲速的溫度補(bǔ)償、串行輸出和LCD顯示等功能，能實(shí)時(shí)修正超聲速度和顯示測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，線性度高、重復(fù)性好、遲滯小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)中非接觸測(cè)距場(chǎng)所。

0引言

在工業(yè)測(cè)距場(chǎng)合中，由于工作要求和復(fù)雜環(huán)境常常采用非接觸測(cè)距的方法。激光、紅外線和超聲波是非接觸測(cè)距中較常采用的測(cè)量介質(zhì)。激光測(cè)距雖然測(cè)距精度高，操作簡(jiǎn)單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統(tǒng)檢測(cè)不易維護(hù)，價(jià)格也比較昂貴。

紅外測(cè)距易受環(huán)境光照度和光線色彩的影響，而且測(cè)量精度不高。相比較前兩者，超聲波是機(jī)械波，具有不受光線影響，不受電磁干擾，成本低等特點(diǎn)，能夠定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)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(yīng)能力，廣泛應(yīng)用于物位測(cè)量、機(jī)械手控制、倒車(chē)?yán)走_(dá)、機(jī)器人避障以及其他一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等方面。因此，近些年來(lái)，人們對(duì)超聲測(cè)距進(jìn)行了很多的探討和研究。目前所研究的超聲波測(cè)距傳感器測(cè)距范圍普遍較小，線性度和重復(fù)性較差。文中所提出的研究方法能很好的解決這2個(gè)問(wèn)題，在保證線性度和重復(fù)性均不低于1。5‰的前提下，測(cè)量范圍達(dá)到了5m以上。

1超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理

目前超聲測(cè)距的方法中，廣泛采用的是回波時(shí)間法。該方法的主要原理是通過(guò)閾值比較或相位相關(guān)等方法檢測(cè)換能器從發(fā)射超聲波到收到回波信號(hào)的時(shí)間t，再根據(jù)測(cè)量時(shí)的超聲波速度v，求出距離s。計(jì)算公式是：

式中速度v 是環(huán)境溫度T 的函數(shù)：

回波時(shí)間法測(cè)距的主要誤差來(lái)源于聲速的變化、回波信號(hào)的衰減以及接收閾值的設(shè)置。在測(cè)量回波時(shí)間上，閾值比較法測(cè)回波時(shí)間簡(jiǎn)單實(shí)用，但容易受到環(huán)境噪聲的影響；相位相關(guān)法相對(duì)于閾值比較法誤差小，不容易受到外界噪聲干擾，但是對(duì)微處理器的速度和存儲(chǔ)有很高的要求，會(huì)增加硬件和軟件的成本。

有別于回波時(shí)間法，另外一種廣泛采用的測(cè)距方法是相位差法，主要是根據(jù)機(jī)械波的波動(dòng)原理，2π的相位變化對(duì)應(yīng)的是機(jī)械波的1個(gè)波長(zhǎng)，根據(jù)發(fā)射波和返回波的相位差計(jì)算波長(zhǎng)差，進(jìn)而得到距離值。這種方法測(cè)量精度高，但僅限于距離在1個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的測(cè)量，而且相位差的鑒別也會(huì)大幅度增加設(shè)計(jì)成本。

認(rèn)真分析研究上述方法優(yōu)缺點(diǎn)后，文中在脈沖時(shí)間法的基礎(chǔ)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(shí)控增益放大器準(zhǔn)確獲得回波信號(hào)，最后測(cè)算出距離值。采用這兩種核心器件不僅使得測(cè)距系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)成本低，而且測(cè)量范圍大，靜態(tài)特性良好。

2超聲測(cè)距系統(tǒng)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)整體原理框圖如圖1所示。超聲波測(cè)距系統(tǒng)的主控部分是C8051f320單片機(jī)，它是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型微處理器，具有高達(dá)25MIPS的高速流水線結(jié)構(gòu)的微控制器內(nèi)核，擁有全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中采用這款微處理器的主要原因是它具有5個(gè)捕捉/比較模塊和具有看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），這不僅使測(cè)算回波時(shí)間非常方便和準(zhǔn)確，而且可以同時(shí)控制5個(gè)超聲波測(cè)距模塊工作。

圖1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)整體原理框圖

該測(cè)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(gòu)成的。反激變換器相對(duì)于正激式的變換器的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要輸出濾波電感，這一點(diǎn)對(duì)減小變換器體積，降低成本很重要。PW0268是超聲波測(cè)距的專用集成電路，片內(nèi)有兩組可調(diào)式RC振蕩器，1個(gè)是系統(tǒng)參考時(shí)基，另1個(gè)是超聲波振蕩頻率。超聲波RC振蕩器具有自動(dòng)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(nèi)還集成了1個(gè)32階增益的時(shí)控放大器，它可以方便的補(bǔ)償超聲波在波程中幅值的衰減。PW0268還內(nèi)置1個(gè)僅需外加少量電阻及電容組成的帶通濾波器，以及1個(gè)高速比較器，可將放大后的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成微處理器可處理的TTL數(shù)字信號(hào)。

另外，由于集成了環(huán)境溫度補(bǔ)償和LCD顯示電路，該測(cè)距系統(tǒng)還具有聲速實(shí)時(shí)補(bǔ)償，測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示等功能。

3超聲波測(cè)距硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波的發(fā)射與接收電路是超聲波測(cè)距的核心電路，主要包括反激變換器驅(qū)動(dòng)換能器電路和PW0268外圍電路的計(jì)算與設(shè)計(jì)。

3。1反激變換器驅(qū)動(dòng)電路

在超聲波發(fā)射電路中借鑒了開(kāi)關(guān)電源中常用的反激變換器，對(duì)超聲波驅(qū)動(dòng)的電壓信號(hào)進(jìn)行了大幅度的抬升，使發(fā)出的超聲波信號(hào)足夠強(qiáng)以有利于回波信號(hào)的準(zhǔn)確判斷。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。40kHz的脈沖串通過(guò)控制場(chǎng)效應(yīng)管不斷地通斷，使變換器原級(jí)電壓耦合到次級(jí)完成電壓抬升，驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)出超聲波。其中，變換器的設(shè)計(jì)除了要考慮開(kāi)關(guān)場(chǎng)效應(yīng)管的最大電壓應(yīng)力，還要著重考慮變換器原、次級(jí)電流有效值、磁芯飽和度以及與換能器阻抗匹配等問(wèn)題。

圖2反激變換器驅(qū)動(dòng)電路

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