一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的改進(jìn)

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中,利用超聲波進(jìn)行近距離非接觸式測(cè)量越來越廣泛，例如液位的測(cè)量、煤層的測(cè)厚、機(jī)器人定位、輔助視覺系統(tǒng)、車輛的定位與導(dǎo)航、汽車防撞雷達(dá)、井深及管道長(zhǎng)度測(cè)量等方面。根據(jù)超聲波縱向分辨力高、對(duì)色彩和光照度不敏感、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)出精度較高的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，應(yīng)用于漫反射差和有毒等惡劣環(huán)境中。但傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距儀由于采用固定閾值的比較器比較輸出，測(cè)量精度普遍較低[1]。本文從回波信號(hào)處理的角度出發(fā)，分析了超聲波回波曲線的特性，利用回波包絡(luò)的峰值檢測(cè)以確定回波到達(dá)時(shí)刻的方法，并介紹一種以89C52單片機(jī)為核心、具有自動(dòng)增益控制和峰值包絡(luò)檢測(cè)、高精度的收發(fā)一體式超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。

1 回波信號(hào)包絡(luò)研究

傳統(tǒng)的利用固定電平判斷回波到達(dá)時(shí)刻的超聲波測(cè)距方法存在較大誤差。針對(duì)這種誤差提出的可變閾值的超聲波測(cè)距方法，由于干擾信號(hào)的存在，超聲波測(cè)距主芯片會(huì)產(chǎn)生誤判回波時(shí)刻的到來，從而導(dǎo)致測(cè)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(cè)距所用超聲波一般都是以間斷的高壓?jiǎn)蚊}沖發(fā)射，每測(cè)距一次，需要發(fā)射、接收一次。所以在測(cè)距脈沖的發(fā)射過程中，傳感器晶片經(jīng)歷了起震、加強(qiáng)和衰減三種狀態(tài)，并產(chǎn)生多個(gè)諧振周期的超聲波；接收過程中，傳感器晶片在多個(gè)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(shí)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(cè)距回波包絡(luò)曲線方程[2]。在此理論基礎(chǔ)上，通過大量實(shí)驗(yàn)，每次發(fā)射1個(gè)脈沖寬度為時(shí)間?子的脈沖，來驗(yàn)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(chǔ)示波器存儲(chǔ)得到的回波波形。

可以驗(yàn)證：超聲回波在脈寬時(shí)間處，電壓峰值達(dá)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(dá)時(shí)刻的處理方法提供了理論和事實(shí)依據(jù)。根據(jù)上述對(duì)超聲回波波形特性的分析，本文提出了一種確定回波到達(dá)時(shí)刻的思路：在接收電路中加入精密的絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路，把回波信號(hào)的負(fù)電壓翻轉(zhuǎn)為正電壓，然后通過檢波電路，對(duì)波形進(jìn)行包絡(luò)，接著輸入到微分電路，求出包絡(luò)曲線的峰值點(diǎn)，再通過過零檢測(cè)電路，向單片機(jī)發(fā)出外部中斷信號(hào)，停止計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)。單片機(jī)在發(fā)射完1個(gè)脈沖后，啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)到外部中斷觸發(fā)計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)，這段時(shí)間即為超聲波脈沖的渡越時(shí)間t。

2 超聲波測(cè)距原理及系統(tǒng)組成

超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來實(shí)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(shí)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(cè)出傳播聲時(shí)t就可求出傳感器到目標(biāo)物體的距離d。本超聲波測(cè)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(jī)、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(dòng)增益控制（AGC）電路、絕對(duì)值變換電路、檢波電路、過零檢測(cè)電路、環(huán)境溫度采集電路、E2PROM存儲(chǔ)電路、顯示電路和超聲波傳感器組成。AT89C52單片機(jī)為整個(gè)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(jī)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，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(dòng)超聲波傳感器；每次發(fā)射1個(gè)脈沖，當(dāng)脈沖發(fā)射后，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；回波信號(hào)經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動(dòng)接收轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、帶通濾波電路、自動(dòng)增益控制（AGC）電路、絕對(duì)值變換電路、檢波電路、過零檢測(cè)電路后輸入AT89C52單片機(jī)中，觸發(fā)外部中斷，單片機(jī)AT89C52停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并計(jì)算出渡越時(shí)間t；環(huán)境溫度采集電路將現(xiàn)場(chǎng)溫度數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中，通過計(jì)算來補(bǔ)償聲速，最后利用公式(1)計(jì)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(jì)

3.1 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)的發(fā)射驅(qū)動(dòng)及接收轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

工作原理為：由AT89C52單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的TTL脈沖信號(hào)通過P1.0輸出，再經(jīng)過三極管Q1和變壓器TR1進(jìn)行功率放大，在變壓器副線圈上將電壓10倍放大，這時(shí)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(jìn)行阻抗匹配的電阻，在副線圈導(dǎo)通時(shí)，由于加在換能器上的電壓很大(100V)，接地的兩個(gè)反向并聯(lián)的二極管對(duì)后面接收電路的前置放大電路輸入端進(jìn)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?yàn)檫^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(hào)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(hào)，輸出的這種回波信號(hào)是mV級(jí)的電壓信號(hào)。由于二極管的導(dǎo)通電壓為0.7V，回波信號(hào)不能經(jīng)過兩個(gè)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(dòng)增益控制（AGC）電路

超聲波回波信號(hào)隨著被測(cè)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(shí)現(xiàn)增益隨時(shí)間呈指數(shù)變化的AGC電路有多種，本文設(shè)計(jì)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(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。

AD620AN是一種電阻可編程放大器，內(nèi)部由三運(yùn)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(jī)相連，實(shí)現(xiàn)電阻阻值的變化，管腳1、8與AD620AN的1、8端相連，從而實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。

事先通過實(shí)驗(yàn)，在0～3米的距離內(nèi)，每隔30厘米測(cè)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(jī)以計(jì)時(shí)器中斷的方式來設(shè)置增益，到了一定時(shí)刻就由內(nèi)部定時(shí)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(duì)應(yīng)的增益，然后通過SPI接口設(shè)置對(duì)應(yīng)增益。

3.3 溫度補(bǔ)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(bǔ)償問題。空氣中聲速與溫度的關(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(cè)量精度，本文設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度計(jì)DS1820采集溫度。DS1820是美國(guó)DALAS公司推出的單線串行數(shù)字溫度計(jì)，可直接與單片機(jī)連接，并且接線形式簡(jiǎn)單[4]，測(cè)量范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)測(cè)量精度為0.5℃。傳感器輸出的是用9位二進(jìn)制編碼表示的溫度值。根據(jù)實(shí)際溫度的值，利用公式（3）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。

3.4 絕對(duì)值變換和包絡(luò)電路

本系統(tǒng)的絕對(duì)值變換和包絡(luò)電路原理圖如圖4所示。

絕對(duì)值變換電路中，當(dāng)輸入信號(hào)Vin為負(fù)時(shí)，D7導(dǎo)通，U13B為倒相放大器；Vin為正時(shí)，D8導(dǎo)通，U13A為非倒相放大器。無論輸入信號(hào)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(hào)經(jīng)過絕對(duì)值變換電路以后，負(fù)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(duì)新波形進(jìn)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(duì)值變換電路中集成運(yùn)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(cè)

回波包絡(luò)信號(hào)通過微分電路，電壓峰值點(diǎn)處取導(dǎo)數(shù)為零，過零檢測(cè)電路在信號(hào)的過零點(diǎn)時(shí)刻發(fā)送脈沖信號(hào)給單片機(jī)外部中斷INT0，單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，從而捕捉到回波信號(hào)到達(dá)時(shí)刻。包絡(luò)信號(hào)微分和過零檢測(cè)原理如圖6所示。


4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)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(jì)算子程序、數(shù)碼顯示子程序、外部中斷子程序和定時(shí)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(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，并關(guān)外部中斷，計(jì)數(shù)器T0、T1同時(shí)開始計(jì)時(shí)；為防止虛假回波的干擾，在延時(shí)一段時(shí)間后，開中斷，此時(shí)判斷計(jì)數(shù)器T1有否溢出中斷，單片機(jī)根據(jù)不同的時(shí)間，以查表的方式設(shè)置自動(dòng)增益控制電路的增益；當(dāng)有外部中斷信號(hào)時(shí)，單片機(jī)就停止T0的計(jì)時(shí)，計(jì)算出渡越時(shí)間t并存儲(chǔ)到E2PROM中；然后調(diào)用測(cè)溫子程序，采集超聲波測(cè)距時(shí)的環(huán)境溫度，并換算出準(zhǔn)確的聲速c，存儲(chǔ)到E2PROM中；單片機(jī)再調(diào)用計(jì)算子程序，計(jì)算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離，最后把測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)并通過數(shù)碼管電路顯示出來，完成一次測(cè)量。主程序流程如圖7。

本超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用新的設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度較高。由于采用收發(fā)一體式的測(cè)距電路，換能器振子必須在余震消除后才能進(jìn)行接收，因此該測(cè)距系統(tǒng)有很大的盲區(qū)。因?yàn)殡娐返难舆t及包絡(luò)峰值點(diǎn)后移，導(dǎo)致測(cè)量計(jì)時(shí)有所增大，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)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(cè)等電路對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，取得了良好的效果。在近距離測(cè)量范圍內(nèi)，這種方法可以達(dá)到厘米級(jí)。