一種基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的改進(jìn)

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(guò)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(guò)過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)始計(jì)數(shù)；回波信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)計(jì)算來(lái)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(lái)。

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(guò)P1.0輸出，再經(jīng)過(guò)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(guò)0.7V，以免前置放大電路的輸入端電壓因?yàn)檫^(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)。