摘要：介紹了利用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的非接觸式距離檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以用于汽車倒車時(shí)的報(bào)警、液位和物位的非接觸式測量，介紹了超聲波傳感器原理及系統(tǒng)各單元的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中采用了AT89C2051型單片機(jī)作為主控制器。把一種直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片應(yīng)用到此系統(tǒng)中，使得控制方法簡便，應(yīng)用范圍增強(qiáng)，同時(shí)可以利用單片機(jī)設(shè)定距離值和輸出控制信號。最終距離用串行方法在數(shù)碼管上顯示出來，可以直觀地查看距離值，以實(shí)現(xiàn)測距、顯示、輸出控制信號的功能。
非接觸式的距離測量在工業(yè)中有廣泛的應(yīng)用機(jī)器人視覺系統(tǒng)中對距離的測量，汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)及液位、物位的檢測系統(tǒng)等。有鑒于此，設(shè)計(jì)了基于超聲波傳感器的測距控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)距離的測量和顯示，并能輸出控制信號及實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的通信。與以往類似系統(tǒng)不同的是：本設(shè)計(jì)采用了一種直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片作為超聲波發(fā)射驅(qū)動電路。
其優(yōu)點(diǎn)是：電路簡單，易于控制，而且對于不同電壓峰值要求的超聲波傳感器，可以改變其供電電壓值。
顯示部分采用一種串行通訊芯片驅(qū)動數(shù)碼管，以節(jié)約單片機(jī)IO口的使用數(shù)量和提高數(shù)碼量，因此，系統(tǒng)應(yīng)用靈活，實(shí)用性強(qiáng)，其模塊化設(shè)計(jì)可嵌入到不同的系統(tǒng)中。
1 超聲波測距傳感器
超聲波傳感器是一種換能器，它把電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能。本設(shè)計(jì)采用壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。該傳感器有2個(gè)壓電晶片和1個(gè)共振板，當(dāng)其兩極外加脈沖信號，且頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波。如果兩極問不加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，聲波將迫使壓電晶片振動，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器。
每個(gè)傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40 kHz左右波動。而且超聲波傳感器發(fā)射波束時(shí)存在發(fā)散角問題，一般發(fā)散角都比較大，從而導(dǎo)致了方向性較差。同時(shí)，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖1所示。
圖1 發(fā)散角與耗散性
采用反射式超聲波測距的原理是：當(dāng)單片機(jī)控制超聲波傳感器向某一方向發(fā)射波束的同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部開始計(jì)時(shí)。在傳播過程中，超聲波遇障礙物后反射回波。傳感器接收到第一個(gè)反射波后，停止計(jì)時(shí)。由于超聲波在空氣中的傳播速度是340 m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間及公式S=340 t/2,即可得到發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S.
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
超聲波測距系統(tǒng)包括4個(gè)部分，即①發(fā)射電路中振蕩器驅(qū)動控制電路；②接收電路中模擬放大、濾波、信號調(diào)制電路；③數(shù)碼管顯示電路；④單片機(jī)系統(tǒng)及其串口輸出、控制信號輸出、按鍵輸入部分。其方框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)原理框圖
3 硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 超聲波發(fā)射單元
超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅(qū)動電路。振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對稱式多諧振蕩器，它產(chǎn)生40 kHz的方波脈沖電路如圖3所示。
圖3 振蕩電路
電路中G2輸出的電壓由于 ,的調(diào)節(jié)，可以改變輸入到G1輸入端的相位。當(dāng)相位達(dá)到同相時(shí)，G1和G2實(shí)現(xiàn)正反饋，G1和G2就成了穩(wěn)定的振蕩器。振蕩周期公式為T=2.2×Rf×C.因?yàn)镃D4069為CMOS結(jié)構(gòu)，所以邏輯門前的電阻RP為G1的保護(hù)電阻。當(dāng)RP足夠大時(shí)，G1的輸入電流可忽略不計(jì)。
由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以Pf采用電位計(jì)，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點(diǎn)，這也是不用單片機(jī)產(chǎn)生方波的原因。電路中Z1,Z2同時(shí)得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅(qū)動電路。
驅(qū)動控制電路如圖4所示。它采用了L293型直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片，它內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖。驅(qū)動電路的直流電源電壓可以改變，以適應(yīng)不同傳感器對電壓的要求。振蕩電路中產(chǎn)生方波的Z1、Z2端，分別接到驅(qū)動電路1N1,IN2端�？刂戚敵鲭娐分蠩N端為輸出使能端，它接到單片機(jī)的P1.7端口，該端口精確輸出高電平時(shí)問來控制發(fā)射方波的個(gè)數(shù)。這在設(shè)計(jì)上使得控制和方波產(chǎn)生相對獨(dú)立，從而使得電路簡單、控制精確、易于調(diào)試。
圖4 驅(qū)動電路
3.2 超聲波接收單元
超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路，如圖5所示。模擬放大器選用高精度儀用放大器LM318作為信號放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15 MHz,超出音頻范圍能夠滿足40 kHz的要求。在放大電路的負(fù)反饋回路中接入電容C1構(gòu)成低通濾波器。電容的選擇可由公式。f=1/2πRfC求出，式中f0為采用的超聲波頻率，Rf為第一級的反饋電阻。因?yàn)槎嘀C振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉。經(jīng)過2極放大后，通過電容耦合，信號與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，提供給單片機(jī)產(chǎn)生中斷。參考電壓設(shè)定為1 V左右，以提高靈敏度。第2個(gè)比較器僅起反相作用 .
圖5 接收電路
3.3 數(shù)碼管顯示電路
數(shù)據(jù)顯示采用串行接口LED顯示驅(qū)動管理芯片MC14489,它的輸入端與系統(tǒng)CPU之間只有3條I/0口線相連。這3個(gè)端口是：使能端ENBLE、時(shí)鐘端CLOCK、數(shù)據(jù)端DATA IN,通過這3個(gè)端口寫控制字和數(shù)據(jù)。更新顯示寄存器的內(nèi)容，需要傳送3個(gè)字節(jié)的信息，更新配置寄存器的內(nèi)容僅需要傳送一個(gè)字節(jié)的信息。這種芯片可以顯示5位數(shù)碼管數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)只用到了4位。驅(qū)動電壓為5 V,亮度調(diào)節(jié)通過 端口與地之間連接的電阻來調(diào)節(jié)，電阻增大亮度減小。顯示電路如圖6所示。
圖6 顯示電路
3.4 單片機(jī)系統(tǒng)
發(fā)射的超聲波被調(diào)制成包含40 kHz方波的具有一定時(shí)間間隔的矩形波脈沖信號，其發(fā)射、接收脈沖工作時(shí)序圖如圖7所示。由單片機(jī)AT89C2051的P1.7口控制H橋電路的使能端EN,送出40 kHz的超聲波脈沖信號，其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為125~200us,即在一個(gè)調(diào)制脈沖內(nèi)包含5~8個(gè)40 kHz的方波。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物體，則在后一次超聲波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一次發(fā)射的反射波，否則認(rèn)為前方無被測物體。因此，按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時(shí)間。例如：最大測距范圍為10m時(shí)，脈沖間隔時(shí)間t:2s/v=2×10/340≈60ms,實(shí)際應(yīng)取t≥60 ms.本系統(tǒng)為方便起見，選擇脈沖間隔定時(shí)器為65 ms.
圖7 發(fā)射和接收脈沖時(shí)序圖
3.5 串口輸出
MC14489可以通過和單片機(jī)串口進(jìn)行通信，當(dāng)顯示面板離主控制板較遠(yuǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)信號將會衰減，所以可通過串口來傳輸數(shù)據(jù)。
3.6 按鍵輸入
本系統(tǒng)可以設(shè)定距離值，當(dāng)大于或小于設(shè)定值時(shí)將發(fā)出控制信號。P1.5、P1.6輸出高低電平，從而可以控制繼電器等外部設(shè)備。由3個(gè)按鍵設(shè)定距離值：S0的作用是進(jìn)入和退出設(shè)定，S1和S2分別是向上加值和向下減值，每按一次加或減一厘米，由數(shù)碼管輸出顯示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件采用8051匯編語言編寫，主程序流程圖如圖8所示。AT89C2051單片機(jī)有2個(gè)外中斷口，分別用于接收回波中斷和按鍵輸人中斷，對應(yīng)2個(gè)外中斷子程序。此外，還用到了內(nèi)部中斷定時(shí)器， 它用于控制發(fā)送載波脈沖，如圖9所示。 定時(shí)器65 ms產(chǎn)生中斷一次，主要是發(fā)送載波脈沖和計(jì)數(shù)器清零。外中斷0將在有下降沿觸發(fā)時(shí)產(chǎn)生中斷，用于讀取定時(shí)器產(chǎn)生的計(jì)時(shí)值和使標(biāo)志位置位。外中斷1是按鍵輸人中斷，用于提供比較值來輸出控制信號。S0第一次觸發(fā)為中斷產(chǎn)生信號，再次觸發(fā)則為輸入確定信號。S1和S2按鍵是輸入值增加和減少按鍵，它們通過判斷對應(yīng)的10口狀態(tài)來確定是否輸入。
圖8 主程序流程圖
圖9 各中斷子程序流程圖
5 測試結(jié)果與分析
超聲波測距系統(tǒng)調(diào)試完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。在超聲波換能器與較大平面（如墻壁面）法線方向一致時(shí)，量程為0.04-10 m,測距盲區(qū)為4Cm,分辨率為0.01 m,最大測量誤差≤0.02 m.因?yàn)槌暡ň哂幸欢òl(fā)散角，所以當(dāng)在正前方和斜前方都有物體時(shí)，會以距發(fā)射器最近的物體作為探測目標(biāo)。
誤差分析：限制該系統(tǒng)最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：①超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角的影響；②超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系；③超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，傳播媒質(zhì)的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生影響。因此，為了準(zhǔn)確地計(jì)算距離，應(yīng)對聲速加以修正，系統(tǒng)程序中采用了軟件補(bǔ)償措施。
6 結(jié)束語
介紹了一種超聲波測距系統(tǒng)，采用單片機(jī)及專門設(shè)計(jì)的驅(qū)動和接收電路，通過超聲波換能器，可以測量和顯示0.04-10 m內(nèi)的物體距離，分辨率可達(dá)到O.O1 m.這種測距系統(tǒng)可用于物面和液面測量，汽車倒車報(bào)警裝置。硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，可以嵌入到其他系統(tǒng)中。
