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　　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。
　　
　　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)，zui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*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zui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
　　
　　3.2PW0268外圍電路
　　
　　PW0268的I_O管腳是雙向管腳，當(dāng)一短暫的低電平脈沖加在此管腳時(shí)，Driver_O管腳開(kāi)始輸出超聲波振蕩驅(qū)動(dòng)信號(hào)，之后PW0268內(nèi)部會(huì)啟動(dòng)1個(gè)計(jì)時(shí)信號(hào)（Tout），之后I_O管腳由輸入轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵瞿Ｊ?，并維持在高電平狀態(tài)。在Tout計(jì)時(shí)周期內(nèi)，由外部對(duì)I_O腳做任何下拉動(dòng)作均無(wú)法再度使Driver_O輸出振蕩波形，當(dāng)?shù)鹊絋out計(jì)時(shí)完畢之后I_O腳恢復(fù)成為輸入狀態(tài)將會(huì)再次啟動(dòng)。當(dāng)Driver_O送出超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)完畢之后，換能器由發(fā)射狀態(tài)變?yōu)榻邮諣顟B(tài)，收到的信號(hào)先送入PW0268的前置放大器，再通過(guò)時(shí)控增益放大器以及帶通濾波器，zui后進(jìn)行回波振幅偵測(cè)比較然后輸出。回波信號(hào)在經(jīng)過(guò)放大器增益處理之后送入內(nèi)置比較器，當(dāng)輸入振幅超過(guò)設(shè)置的閾值后便將輸出轉(zhuǎn)態(tài)至高電平，此時(shí)I_O腳被拉至低電位。
　　
　　C8051f320檢測(cè)到這個(gè)下降沿即認(rèn)為收到回波信號(hào)，從而計(jì)算出距離值。PW0268內(nèi)部原理及外圍電路如圖3所示。　　　　
　　PW0268用于超聲波測(cè)距的zui大優(yōu)勢(shì)是其內(nèi)部集成了時(shí)控放大器，其增益是以220/F為步進(jìn)遞增的，其中F是指PW0268的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，它是根據(jù)所要測(cè)量的zui大距離計(jì)算得出的。
　　
　　例如，在20℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，要測(cè)量的范圍是5m，則超聲波傳輸時(shí)間：　　
　　此時(shí)PW0268的時(shí)鐘頻率為：　　
　　進(jìn)而可以算出增益步進(jìn)的時(shí)間為：　　
　　因此對(duì)于zui大測(cè)量距離為5m的測(cè)距系統(tǒng)而言，PW0268在發(fā)出脈沖串后，時(shí)控放大器的增益會(huì)每過(guò)0。92ms步進(jìn)1個(gè)臺(tái)階，進(jìn)而補(bǔ)償超聲波在波程中幅值的衰減。時(shí)控增益步進(jìn)如圖4所示　　　　
　　4、超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　
　　系統(tǒng)的軟件由主程序、定時(shí)器計(jì)時(shí)程序、PCA捕捉中斷程序、環(huán)境溫度采集以及串行輸出和LCD顯示組成。
　　
　　系統(tǒng)工作在連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)距狀態(tài)下，在初始化后，低電平觸發(fā)PW0268發(fā)出超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)開(kāi)啟PCA捕捉計(jì)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始等待接收回波信號(hào)，當(dāng)在zui大等待時(shí)間內(nèi)接收到回波信號(hào)則停止計(jì)時(shí)，根據(jù)環(huán)境溫度修正聲速后，計(jì)算出距離值并輸出顯示，一次完整的測(cè)距過(guò)程完成；當(dāng)在zui大等待時(shí)間內(nèi)收不到回波信號(hào)，則計(jì)時(shí)清零重新觸發(fā)。系統(tǒng)運(yùn)行的流程圖如圖5所示。　　　　
　　5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　　
　　為標(biāo)定超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度，使用100cm×100cm×2cm硬平木板作障礙物進(jìn)行測(cè)量，并用鋼卷尺測(cè)量實(shí)際距離作為標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量盲區(qū)約為300mm，在（500~5500）mm范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了3次正反行程的標(biāo)定試驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和計(jì)算，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，擬合直線如圖6所示。由此計(jì)算出超聲波測(cè)距系統(tǒng)靜態(tài)特性指標(biāo)，即線性度為：0。11%，重復(fù)性為：0。15%，遲滯為0。10%。
　　　　　　
　　6、結(jié)束語(yǔ)
　　
　　文中所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用反激變換器不僅將發(fā)射超聲波的功率大幅度提高，而且有利于回波信號(hào)的判斷和接收，提高了測(cè)距系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確性。接收超聲波時(shí)使用時(shí)控增益放大器補(bǔ)償了信號(hào)在波程中的幅值衰減，準(zhǔn)確獲得了回波信號(hào)，進(jìn)而測(cè)算出了距離值。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，文中所設(shè)計(jì)的測(cè)距系統(tǒng)不僅測(cè)量方法簡(jiǎn)單，電路結(jié)構(gòu)清晰，成本較低，而且測(cè)距性能優(yōu)良，可應(yīng)用于工業(yè)非接觸測(cè)距等場(chǎng)所。