一種基于單片機設計的高精度超聲波測距系統(tǒng)的改進
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1 回波信號包絡研究
傳統(tǒng)的利用固定電平判斷回波到達時刻的超聲波測距方法存在較大誤差。針對這種誤差提出的可變閾值的超聲波測距方法，由于干擾信號的存在，超聲波測距主芯片會產(chǎn)生誤判回波時刻的到來，從而導致測量數(shù)據(jù)不準確。
超聲傳感器通過壓電晶片的逆效應——電致伸縮，在空氣介質(zhì)中產(chǎn)生超聲波。測距所用超聲波一般都是以間斷的高壓單脈沖發(fā)射，每測距一次，需要發(fā)射、接收一次。所以在測距脈沖的發(fā)射過程中，傳感器晶片經(jīng)歷了起震、加強和衰減三種狀態(tài)，并產(chǎn)生多個諧振周期的超聲波；接收過程中，傳感器晶片在多個諧振周期的超聲脈沖作用下，通過壓電效應在晶片兩端產(chǎn)生起伏電壓。廈門大學的童峰等研究了單脈沖發(fā)射時超聲回波的起伏特性，并根據(jù)聲的發(fā)射、反射理論及應用力——聲類比，推導出了理想條件下的測距回波包絡曲線方程[2]。在此理論基礎上，通過大量實驗，每次發(fā)射1個脈沖寬度為時間?子的脈沖，來驗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)字存儲示波器存儲得到的回波波形。
可以驗證：超聲回波在脈寬時間處，電壓峰值達到最大，和童峰的理論分析基本吻合，這也為本文應用在判斷回波到達時刻的處理方法提供了理論和事實依據(jù)。根據(jù)上述對超聲回波波形特性的分析，本文提出了一種確定回波到達時刻的思路：在接收電路中加入精密的絕對值轉(zhuǎn)換電路，把回波信號的負電壓翻轉(zhuǎn)為正電壓，然后通過檢波電路，對波形進行包絡，接著輸入到微分電路，求出包絡曲線的峰值點，再通過過零檢測電路，向單片機發(fā)出外部中斷信號，停止計數(shù)器計時。單片機在發(fā)射完1個脈沖后，啟動內(nèi)部計數(shù)器計時到外部中斷觸發(fā)計數(shù)器停止計時，這段時間即為超聲波脈沖的渡越時間t。
2 超聲波測距原理及系統(tǒng)組成
超聲波測距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時間為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，則測出傳播聲時t就可求出傳感器到目標物體的距離d。本超聲波測距系統(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、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、自動增益控制（AGC）電路、絕對值變換電路、檢波電路、過零檢測電路、環(huán)境溫度采集電路、E2PROM存儲電路、顯示電路和超聲波傳感器組成。AT89C52單片機為整個系統(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；單片機產(chǎn)生脈沖信號，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)動超聲波傳感器；每次發(fā)射1個脈沖，當脈沖發(fā)射后，啟動計數(shù)器開始計數(shù)；回波信號經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動接收轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、帶通濾波電路、自動增益控制（AGC）電路、絕對值變換電路、檢波電路、過零檢測電路后輸入AT89C52單片機中，觸發(fā)外部中斷，單片機AT89C52停止計數(shù)器計數(shù)并計算出渡越時間t；環(huán)境溫度采集電路將現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)送到單片機中，通過計算來補償聲速，最后利用公式(1)計算出距離，并由顯示電路顯示出來。
3 系統(tǒng)硬件電路設計
3.1 超聲波發(fā)射驅(qū)動及接收轉(zhuǎn)換電路
本系統(tǒng)的發(fā)射驅(qū)動及接收轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。
工作原理為：由AT89C52單片機產(chǎn)生40kHz的TTL脈沖信號通過P1.0輸出，再經(jīng)過三極管Q1和變壓器TR1進行功率放大，在變壓器副線圈上將電壓10倍放大，這時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行阻抗匹配的電阻，在副線圈導通時，由于加在換能器上的電壓很大(100V)，接地的兩個反向并聯(lián)的二極管對后面接收電路的前置放大電路輸入端進行鉗位，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為過高而發(fā)生阻塞。
超聲波在空氣中傳播，遇到目標物體反射的回波信號加載到超聲波換能器上，換能器由于壓電效應產(chǎn)生微弱電壓信號，輸出的這種回波信號是mV級的電壓信號。由于二極管的導通電壓為0.7V，回波信號不能經(jīng)過兩個反向并聯(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 自動增益控制（AGC）電路
超聲波回波信號隨著被測距離的變化，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。實現(xiàn)增益隨時間呈指數(shù)變化的AGC電路有多種，本文設計了通過軟、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)合單片機聯(lián)合實現(xiàn)。
AD620AN是一種電阻可編程放大器，內(nèi)部由三運放組成，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與單片機相連，實現(xiàn)電阻阻值的變化，管腳1、8與AD620AN的1、8端相連，從而實現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)。
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