超聲波測距是一種利用超聲波的可定向發(fā)射﹑指向性好等特性﹑結合電子計數(shù)等微電子技術來實現(xiàn)的非接觸式檢測方式,在使用中不受光線、電磁波﹑粉塵等因素影響,加之信息處理簡單﹑成本低,速度快,因此在避障﹑車輛的定位與導航﹑液位測量等領域得到廣泛的應用。但是在使用中會出現(xiàn)由于回波信號過于微弱而導致系統(tǒng)測量誤差加大的問題,因此本文介紹了一種收發(fā)一體式的超聲波測距系統(tǒng)。
1.波測距原理
諧振頻率高于20kHz的聲波為超聲波。超聲波為直線傳播方式,頻率越高,反射能力越強,而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性,常常用渡越時間檢測法進行距離的測量。其工作原理是:換能器向介質發(fā)射超聲波,聲波遇到目標后必然有反射回波作用在換能器上。若已知介質中聲速為c,回波到達時刻與發(fā)射波時刻的時間差為t,就可以計算出發(fā)射點與反射點的距離s:
式1
式中c為超聲波的傳播速度m/s。
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。如果環(huán)境溫度變化顯著,必須考慮溫度補償問題??諝庵新曀倥c溫度的關系可以表示為:
式2
式中T為環(huán)境溫度℃。
由于超聲波在傳播過程中,聲壓會隨距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減,遠目標的回波信號幅度小信噪比低,用固定閾值的比較器檢測回波,可能導致越過門檻的時刻前后移動,從而影響計時的準確性,這必然會影響到測距的準確度。在回波接收電路中串入隨時間變化的自動增益控制(AGC)電路,電壓放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加 ,使接收回波的幅值保持恒定或者僅在較小范圍內變化,再經(jīng)過整形電路輸出,這樣可以大幅度地提高測距的精度。
2.系統(tǒng)設計
根據(jù)超聲波在空氣中的傳播特性,設計了帶有自動增益控制的超聲波測距系統(tǒng),系統(tǒng)框圖如圖1。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
系統(tǒng)由ATMH公司生產(chǎn)的AT89C52單片機﹑超聲波發(fā)射電路、發(fā)射接收切換電路接收前置放大濾波電路、自動增益控制(AGC)電路、整形電路、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40 kH;單片機產(chǎn)生的40 kH的脈沖信號,經(jīng)三極管和變壓器放大后,通過發(fā)射接收切換電路驅動超聲波傳感器;每次發(fā)射7個脈沖,當?shù)谝粋€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)射驅動接收轉換電路﹑前置放大電路﹑帶通濾波電路﹑自動增益控制(AGC)電路整形電路后經(jīng)過比較器輸入AT89C52單片機中 ,單片機AT89C52停止計數(shù)器計數(shù);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 ,最后利用式(⑴)、式(2)計算出距離,并由顯示電路顯示出來。
2.1硬件設計
2.1.1超聲波發(fā)射驅動及接收轉換電路
發(fā)射驅動及接收轉換電路如圖2。
圖2 超聲波發(fā)射驅動及接收轉換電路原理圖
工作原理為:由AT89C52單片機產(chǎn)生40kHz的TIL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倍放大后,換能器上加載的正弦電壓幅值約為100 V。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)的二極管對后面的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0.7 V,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。
2.1.2接收電路
在接收電路中,設計了前置放大、帶通濾波(中心頻率fo=40 kHz)、自動增益控制(AGC)電路和整形電路。前置放大、自動增益控制(AGC)電路把微弱回波信號放大了200倍以上,足夠滿足后面整形電路的需要;帶通濾波電路為濾波效果比較理想的高Q值、窄寬帶的二階帶通濾波器,實驗表明輸出波形穩(wěn)定,濾波效果理想,實驗數(shù)據(jù)能達到測量精度的要求。
2.1.3自動增益控制(AGC)電路
超聲波回波信號隨著被測距離大小的變化,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,設計了通過軟﹑硬件結合的AC電路,它是由可編程放大器AD620AN、數(shù)字電位器MAX5400結合單片機聯(lián)合實現(xiàn)。如圖3所示。
圖3自動增益控制(AGC)電路原理圖
AD620AN是一種電阻可編程放大器,內部由三運放組成,具有很高的精度和共模抑制比。增益范圍為1~1 000,由管腳1.8之間的電阻調節(jié)。增益公式為:
式3
式中RG的單位為kΩ。
MAX5400是一種具有256抽頭的數(shù)字電位器,端-端阻值為50 kΩ,溫度系數(shù)小于5×10-6℃,并帶有SPI接口。管腳3、4、5與單片機相連,實現(xiàn)增益的調節(jié)。事先把通過實驗獲得的與一定距離對應的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)固化到E2PROM中。單片機以計時器中斷的方式來設置增益,到了一個時刻就由內部定時器產(chǎn)生一次中斷,中斷服務子程序通過查表方式獲得對應的增益,然后通過SPI接口設置對應增益。
2.1.4溫度補償
根據(jù)式(2)可知,溫度對聲速的影響較大,若不進行補償,將會帶來測量誤差,為了提高系統(tǒng)的測量精度,設計了溫度補償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度計DS1820來采集溫度,DS1820是單線串行數(shù)字溫度計,可直接與單片機連接并且接線形式簡單,測量范圍為-55~125℃,- 10~85℃時測量精度為0.5℃。傳感器輸出的是用9位二進制編碼表示的溫度值 ,根據(jù)實際溫度的值,利用式(2)可計算補償聲速。
2.2系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件包括主程序溫度采集子程序、發(fā)射子程序、計算子程序數(shù)碼顯示子程序、外部中斷子程序和定時器中斷子程序。主程序完成初始化和各個子程序的調用,最后把測量結果用數(shù)碼管電路顯示出來(如圖4)。
圖4 主程序流程圖
3.實驗結果與分析
為了驗證系統(tǒng)的測量精度,在實驗室進行了實地測量。正對光滑硬質表面進行測量,測量數(shù)據(jù)如表1所示,表1中實際距離是用鋼質卷尺測量得到的。
實驗數(shù)據(jù)及其測量誤差
從表1中數(shù)據(jù)可以看出,由于采用收發(fā)一體式的測距電路,換能器振子必須在余震消除后才能進行接收,因此系統(tǒng)有很大的盲區(qū);在量程范圍內,由于采用了自動增益控制技術,測量誤差沒有隨著測量距離的增加而增大;除了個別測量數(shù)據(jù)具有負偏差外,大部分數(shù)據(jù)都要比實際距離要大,這是由于電路的延遲及整形電壓的起伏,導致測量時間有所增大,進而體現(xiàn)在測量數(shù)據(jù)的偏大。
結束語
以上就是基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)設計介紹了。本系統(tǒng)結構簡單﹑精度較高。采用前置放大器、AGC電路﹑濾波器等檢測電路對接收信號進行處理,取得了良好的效果。實驗表明,在近距離測量范圍內,這種方法可以達到mm級。這種收發(fā)一體式的測距系統(tǒng)是一種理想的非接觸檢測方式,它可以滿足料位檢測﹑液位探測及微地形構造等方面的需要。在測量精度方面,還可以采用一些改進措施,在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面也要進行改進,盡量減小系統(tǒng)的測量偏差。
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