新型嵌入式超聲波測(cè)距系統(tǒng)

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專用集成電路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(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)管的最大電壓應(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

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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，最后進(jìn)行回波振幅偵測(cè)比較然后輸出?；夭ㄐ盘?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。

圖3 PW0268 外圍電路

PW0268用于超聲波測(cè)距的最大優(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)量的最大距離計(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)于最大測(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

圖4PW0268的時(shí)控增益

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)在最大等待時(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)在最大等待時(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。

圖5系統(tǒng)流程圖

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%。

表13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

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。