關(guān)于新型超聲波測距系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果淺析

“近些年來，人們對超聲測距進(jìn)行了很多的探討和研究。目前所研究的超聲波測距傳感器測距范圍普遍較小，線性度和重復(fù)性較差。文中所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(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的判斷和接收，提高了測距系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確性，在保證線性度和重復(fù)性均不低于1.5‰的前提下，測量范圍達(dá)到了5m以上。

概述：

在工業(yè)測距場合中，由于工作要求和復(fù)雜環(huán)境常常采用非接觸測距的方法。激光、紅外線和超聲波是非接觸測距中較常采用的測量介質(zhì)。

（1）激光測距：精度高，操作簡單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統(tǒng)檢測不易維護(hù)，價(jià)格也比較昂貴。

（2）紅外測距：易受環(huán)境光照度和光線色彩的影響，而且測量精度不高。

（3）超聲波測距：超聲波為機(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)用于物位測量、機(jī)械手控制、倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人避障以及其他一些工業(yè)現(xiàn)場等方面。

近些年來，人們對超聲測距進(jìn)行了很多的探討和研究。目前所研究的超聲波測距傳感器測距范圍普遍較小，線性度和重復(fù)性較差。文中所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(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的判斷和接收，提高了測距系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確性，在保證線性度和重復(fù)性均不低于1.5‰的前提下，測量范圍達(dá)到了5m以上。接收超聲波時(shí)使用時(shí)控增益放大器補(bǔ)償了信號在波程中的幅值衰減，準(zhǔn)確獲得了回波信號，進(jìn)而測算出了距離值。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，文中所設(shè)計(jì)的測距系統(tǒng)不僅測量方法簡單，電路結(jié)構(gòu)清晰，成本較低，而且測距性能優(yōu)良，可應(yīng)用于工業(yè)非接觸測距等場所。

一、超聲波測距系統(tǒng)原理

目前超聲測距的方法中，廣泛采用的是回波時(shí)間法。該方法的主要原理是通過閾值比較或相位相關(guān)等方法檢測換能器從發(fā)射超聲波到收到回波信號的時(shí)間t，再根據(jù)測量時(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)間法測距的主要誤差來源于聲速的變化、回波信號的衰減以及接收閾值的設(shè)置。在測量回波時(shí)間上，閾值比較法測回波時(shí)間簡單實(shí)用，但容易受到環(huán)境噪聲的影響； 相位相關(guān)法相對于閾值比較法誤差小，不容易受到外界噪聲干擾，但是對微處理器的速度和存儲有很高的要求，會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距方法是相位差法，主要是根據(jù)機(jī)械波的波動原理，2π 的相位變化對應(yīng)的是機(jī)械波的1 個(gè)波長，根據(jù)發(fā)射波和返回波的相位差計(jì)算波長差，進(jìn)而得到距離值。這種方法測量精度高，但僅限于距離在1 個(gè)波長范圍內(nèi)的測量，而且相位差的鑒別也會大幅度增加設(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，最后測算出距離值。采用這兩種核心器件不僅使得測距系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)成本低，而且測量范圍大，靜態(tài)特性良好。

二、超聲測距系統(tǒng)

超聲波測距系統(tǒng)整體原理框圖如圖1 所示。超聲波測距系統(tǒng)的主控部分是C8051f320單片機(jī)，它是完全集成的混合信號片上系統(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)超聲波測距模塊工作。

圖1 超聲波測距系統(tǒng)整體原理框圖

該測距系統(tǒng)的發(fā)射與接收部分主要是由反激變換器和專用集成電路PM0268 構(gòu)成的。反激變換器相對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)對減小變換器體積，降低成本很重要。PW0268 是超聲波測距的專用集成電路，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轉(zhuǎn)換成微處理器可處理的TTL 數(shù)字信號。

另外，由于集成了環(huán)境溫度補(bǔ)償和LCD 顯示電路，該測距系統(tǒng)還具有聲速實(shí)時(shí)補(bǔ)償，測量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示等功能。

三、超聲波測距硬件電路設(shè)計(jì)

超聲波的發(fā)射與接收電路是超聲波測距的核心電路，主要包括反激變換器驅(qū)動換能器電路和PW0268 外圍電路的計(jì)算與設(shè)計(jì)。

3. 1 反激變換器驅(qū)動電路

在超聲波發(fā)射電路中借鑒了開關(guān)電源中常用的反激變換器，對超聲波驅(qū)動的電壓信號進(jìn)行了大幅度的抬升，使發(fā)出的超聲波信號足夠強(qiáng)以有利于回波信號的準(zhǔn)確判斷。驅(qū)動電路如圖2 所示。40 kHz 的脈沖串通過控制場效應(yīng)管不斷地通斷，使變換器原級電壓耦合到次級完成電壓抬升，驅(qū)動換能器發(fā)出超聲波。其中，變換器的設(shè)計(jì)除了要考慮開關(guān)場效應(yīng)管的最大電壓應(yīng)力，還要著重考慮變換器原、次級電流有效值、磁芯飽和度以及與換能器阻抗匹配等問題。

圖2 反激變換器驅(qū)動電路

3. 2 PW0268 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 管腳開始輸出超聲波振蕩驅(qū)動信號，之后PW0268 內(nèi)部會啟動1 個(gè)計(jì)時(shí)信號（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I_O 腳做任何下拉動作均無法再度使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)將會再次啟動。當(dāng)Driver_O 送出超聲波驅(qū)動信號完畢之后，換能器由發(fā)射狀態(tài)變?yōu)榻邮諣顟B(tài)，收到的信號先送入PW0268 的前置放大器，再通過時(shí)控增益放大器以及帶通濾波器，最后進(jìn)行回波振幅偵測比較然后輸出?；夭ㄐ盘栐诮?jīng)過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 檢測到這個(gè)下降沿即認(rèn)為收到回波信號，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。

圖3 PW0268 外圍電路

PW0268 用于超聲波測距的最大優(yōu)勢是其內(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)所要測量的最大距離計(jì)算得出的。

例如，在20 ℃標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，要測量的范圍是5 m，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：

因此對于最大測量距離為5 m 的測距系統(tǒng)而言，PW0268在發(fā)出脈沖串后，時(shí)控放大器的增益會每過0. 92 ms 步進(jìn)1 個(gè)臺階，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。

圖4 PW0268 的時(shí)控增益

四、超聲波測距系統(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)動信號，同時(shí)開啟PCA 捕捉計(jì)時(shí)，系統(tǒng)開始等待接收回波信號，當(dāng)在最大等待時(shí)間內(nèi)接收到回波信號則停止計(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，一次完整的測距過程完成； 當(dāng)在最大等待時(shí)間內(nèi)收不到回波信號，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。

圖5 系統(tǒng)流程圖

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為標(biāo)定超聲波測距系統(tǒng)測量精度，使用100 cm × 100 cm ×2 cm 硬平木板作障礙物進(jìn)行測量，并用鋼卷尺測量實(shí)際距離作為標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)測量盲區(qū)約為300 mm，在（ 500 ~ 5 500） mm 范圍內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行了3 次正反行程的標(biāo)定試驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和計(jì)算，測試數(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%.

表1 3 次正反行程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖6 三次正反行程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖
編輯：lyn