張雷雷，王福豹，段渭軍

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072）

超聲波有以下特點(diǎn)：速度小，傳播時(shí)間容易檢測(cè)；頻率高，反射性強(qiáng)，繞射性弱；傳播距離較遠(yuǎn)；對(duì)光線和電磁場(chǎng)不敏感等。利用超聲波的這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合微電子技術(shù)，超聲波測(cè)距技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與激光測(cè)距、紅外線測(cè)距等相比，超聲波測(cè)距更適于電磁干擾強(qiáng)，煙霧等惡劣環(huán)境中。而且，超聲波測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)方便、精度較高。超聲波測(cè)距技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使它有著廣泛的應(yīng)用，比如：建筑施工工地，液位測(cè)量，車(chē)輛導(dǎo)航等[1]。傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且當(dāng)回波信號(hào)過(guò)于微弱時(shí)，測(cè)量誤差會(huì)加大。在系統(tǒng)接收電路中采用的增益控制部分能有效地解決這一難題。

超聲波測(cè)距的方法很多，有相位檢測(cè)法，幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法等[2]。系統(tǒng)采用的是渡越時(shí)間法TOF(Time of Flight)。原理如下：發(fā)射換能器在一端向某一方向發(fā)射超聲波，同時(shí)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。超聲波在傳播過(guò)程中遇到障礙物被反射回來(lái)，接收換能器接收到反射回來(lái)的超聲波，此時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)。假設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)間為t，超聲波的傳播速度為n，則從換能器到障礙物之間的距離d為超聲波往返距離的一半。其中超聲波傳播速度n與環(huán)境溫度T有關(guān)。系統(tǒng)使用單片機(jī)的定時(shí)器對(duì)超聲波的往返時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。采用溫度傳感器測(cè)量溫度，并將所得溫度經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字量后，送入控制器，由軟件對(duì)超聲波速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償處理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)主控部分和超聲波測(cè)距部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控部分包括單片機(jī)控制模塊、液晶顯示模塊、溫度補(bǔ)償模塊和串口通信模塊。超聲波測(cè)距部分包括超聲波發(fā)射模塊和接收模塊。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 The overall design diagram

單片機(jī)控制模塊通過(guò)控制發(fā)射換能器發(fā)射超聲波到固定端面，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。超聲波經(jīng)反射后由接收換能器接收，當(dāng)單片機(jī)控制模塊接收到第一個(gè)反射波信號(hào)即停止計(jì)時(shí)。單片機(jī)根據(jù)計(jì)時(shí)器值計(jì)算出時(shí)間間隔t。溫度補(bǔ)償模塊采集數(shù)字溫度，根據(jù)公式(1)計(jì)算出超聲波速度v。

其中T是空氣介質(zhì)的溫度(℃)。在測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合，需要采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)超聲波的速度校正。

最后利用公式(2)計(jì)算出換能器到障礙物之間的距離d。

液晶顯示模塊顯示當(dāng)前的溫度值T和計(jì)算所得的距離d。串口通信模塊可以通過(guò)串口在線下載單片機(jī)程序。

1.1 主控部分

1.1.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊為系統(tǒng)的核心控制單元。單片機(jī)STC89C52的INT1/P3.3端口用于輸出發(fā)射器所需的40 kHz方波信號(hào)，INT0/P3.2端口用于檢測(cè)接收器輸出的返回信號(hào)。液晶顯示電路采用LCD1602，使用單片機(jī)的P0口和P2口完成顯示功能。RXD/P3.0和TXD/P3.1端口用于串口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。P1.2和P1.3分別為超聲波的接收與發(fā)送使能端口。P3.4端口用于接收從溫度傳感器DS18B20獲取的溫度信息[3]。

1.1.2 溫度補(bǔ)償模塊

由(1)式可知，溫度對(duì)聲速的影響較大。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，增加了溫度補(bǔ)償模塊。其中的溫度傳感器采用的是DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[4]。硬件接口簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，僅需一根接口線與單片機(jī)連接；測(cè)量溫度范圍為－55～+125℃；溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ms(典型值)；適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。

DS18B20的管腳2與單片機(jī)P3.4接口相連，單片機(jī)通過(guò)此管腳以串行傳送方式讀取測(cè)溫結(jié)果。依靠上拉電阻提供電源，以達(dá)到DS18B20工作電流為1 mA的要求。根據(jù)所測(cè)溫度值，利用公式(1)對(duì)超聲波的速度進(jìn)行校正。

1.1.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊用于顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度和測(cè)得的距離值。顯示器件LCD1602的優(yōu)點(diǎn)是微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富。它識(shí)別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值。

單片機(jī)的P0口和P2口與液晶模塊相連，其中P0.0～P0.7端口用于LCD1602的數(shù)據(jù)輸出，P2.0～P2.2端口分別用于顯示模塊的數(shù)據(jù)命令選擇，讀寫(xiě)選擇和使能控制。R6和R7分別用于調(diào)節(jié)LCD1602的亮度和對(duì)比度。

1.2 超聲波測(cè)距部分

超聲波測(cè)距單元的框圖如圖2所示。系統(tǒng)中采用的換能器是中心頻率為40.0 kHz±0.1 Hz的發(fā)射器255－400ST16和接收器255－400SR16。該換能器具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。安裝時(shí)應(yīng)保持2個(gè)換能器中心軸線平行并相距4～8 cm，若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，可提高抗干擾能力。

圖2 超聲波測(cè)距單元Fig.2 Ultrasonic ranging unit

1.2.1 超聲波發(fā)射電路

只要使用40 kHz的方波激勵(lì)換能器就可以產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。電路中使用MOSFET管ZXM61P03F進(jìn)行電源管理，當(dāng)單片機(jī)的P1.3端口為低電平時(shí)，電路通電。MAX864為電壓轉(zhuǎn)換芯片，它將輸入的5 V電源進(jìn)行加倍，轉(zhuǎn)換為正電源+10 V和負(fù)電源－10 V兩路輸出，提供給其后的LM8261使用。FC1和FC0為MAX864內(nèi)部晶振頻率選擇位，當(dāng)FC1和FC0均為高電平時(shí)，晶振頻率為最大值，高頻率可以保證MAX864不會(huì)對(duì)其它電路造成干擾，此時(shí)所需的外圍電容值(C9,C11,C12,C13)為1μF[5]。LM8261是一個(gè)具有高輸出電流的運(yùn)算放大器，較高的輸出電流可以使產(chǎn)生的超聲波有足夠的能量傳播較遠(yuǎn)的距離。LM8261的同相輸入端與單片機(jī)的INT1/P3.3端口相連，在這個(gè)端口連續(xù)發(fā)出高低電平時(shí)，LM8261的輸出端就會(huì)產(chǎn)生方波。當(dāng)方波的頻率為40 kHz時(shí)，就會(huì)激勵(lì)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。

1.2.2 超聲波接收電路

接收電路主要負(fù)責(zé)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。換能器在接收到超聲波信號(hào)時(shí)，由于壓電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)接頭上產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)，一般為毫伏級(jí)。微弱的電壓信號(hào)需通過(guò)放大電路進(jìn)行放大、整形，進(jìn)一步設(shè)計(jì)比較器電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)。

因此，接收電路包括接收換能器，放大電路以及比較整形電路3部分[6]。電路如圖4所示。回波放大電路使用的是具有兩級(jí)放大功能的LMV822MM，R15和R16組成分壓電路，為同相輸入端提供基準(zhǔn)電壓。其中可以通過(guò)調(diào)節(jié)第二級(jí)中的電位器R22來(lái)改變放大器的增益，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓放大倍數(shù)，以適應(yīng)接收信號(hào)變化范圍大的需要。

回波放大電路和穩(wěn)壓電路輸出的是模擬信號(hào)，電路中利用運(yùn)算放大器LMC7215組成的比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。R20和R21為比較器提供基準(zhǔn)電壓。當(dāng)反向輸入端電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出低電平，否則輸出為高電平。這樣，若有超聲波信號(hào)被接收，比較器電路輸出端會(huì)有由高到低的電平跳變。單片機(jī)的INT0/P3.2端口連接到比較器的輸出，以捕捉電平的跳變，從而判斷超聲波是否被接收。同時(shí)，比較器還解決了發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波脈沖沒(méi)有經(jīng)過(guò)反射物直接被接收器所接收的問(wèn)題。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)部分的總體思路是：

圖3 超聲波發(fā)射電路Fig.3 Ultrasonic transmitter circuit

圖4 超聲波接收電路Fig.4 Ultrasonic receiver circuit

Step1:系統(tǒng)的初始化工作。主要包括在液晶顯示屏LCD1602 上顯示兩行預(yù)設(shè)字符，“Temp：”和“Dist：”，分別為環(huán)境溫度和測(cè)量距離的提示字符；設(shè)置定時(shí)器、外部中斷的觸發(fā)方式；打開(kāi)發(fā)送使能端P1.3和接收使能端P1.2；清零測(cè)量成功標(biāo)志succeedFlag。

Step2:利用溫度傳感器DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，并將溫度值顯示在液晶顯示屏第一行“Temp：”的后面；根據(jù)公式(2)計(jì)算出超聲波的傳播速度。

Step3:啟動(dòng)定時(shí)器T1開(kāi)始計(jì)時(shí)，同時(shí)連續(xù)發(fā)送8個(gè)頻率為40 kHz的超聲波信號(hào) （對(duì)P3.3口的高、低電平分別進(jìn)行12μs、13μs的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)從P3.3口輸出頻率為40 kHz的方波信號(hào)）；延時(shí)10μs后，打開(kāi)外部中斷EX0和總中斷EA，等待IT0/P3.2處電平的跳變。10μs的延時(shí)也可以有效地避免發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波脈沖沒(méi)有經(jīng)過(guò)反射物直接被接收器所接收的問(wèn)題。

Step4:超聲波在傳播過(guò)程中，遇障礙物后反射回波。當(dāng)接收探頭接收到回波時(shí)，外部中斷0被觸發(fā)，此時(shí)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。即取出定時(shí)器的高低位TH1和TL1，置位測(cè)量成功標(biāo)志succeedFlag，并關(guān)閉中斷。定時(shí)器所計(jì)的數(shù)據(jù)即為超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間t。

Step5:由以上步驟中所得定時(shí)器的值和超聲波速度，根據(jù)式(1)計(jì)算測(cè)量距離。

Step6:重復(fù)步驟2～5五次后，獲得5次測(cè)距值。去除其中的最大值和最小值，取中間3值的平均值為當(dāng)前的測(cè)距結(jié)果，并將測(cè)距結(jié)果顯示在液晶顯示屏第二行“Dist：”之后。

Step7:重復(fù)步驟2～6，當(dāng)有連續(xù)三次的預(yù)備顯示測(cè)距結(jié)果與當(dāng)前的顯示結(jié)果不同時(shí)，將預(yù)備顯示測(cè)距結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。這樣設(shè)計(jì)是為了避免顯示頻繁導(dǎo)致的液晶顯示抖動(dòng)。

Step8:重復(fù)步驟2～7進(jìn)行連續(xù)地測(cè)量。

程序中顯示一次測(cè)距結(jié)果的流程圖如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法

1)回波信號(hào)的誤接收

由于超聲波發(fā)射探頭和接收探頭距離較近，當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波后，有部分超聲波沒(méi)經(jīng)過(guò)障礙物反射就直接繞射到接收探頭上，這部分信號(hào)影響了系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果。設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一是略微增大發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離，使影響降低；二是在發(fā)射完超聲波之后，開(kāi)外部中斷之前增加10μs的延時(shí)，接收電路對(duì)此期間接收到的任何信號(hào)不予理睬，延時(shí)之后接收到的信號(hào)才是有效的回波信號(hào)[12]。

圖5 程序一次測(cè)距流程圖Fig.5 Flowchart of a single ranging

2)外部中斷0的觸發(fā)方式

沒(méi)有接收到超聲波信號(hào)時(shí)，INT0/P3.2引腳為高電平；接收到超聲波信號(hào)之后，該引腳變?yōu)榈碗娖?。因此理論上外部中?的觸發(fā)方式采用下降沿觸發(fā)和低電平觸發(fā)均可。而在實(shí)際電路中，當(dāng)采用下降沿觸發(fā)方式時(shí)，由于噪聲的影響，在沒(méi)有回波被接收的情況下，P3.2引腳的高電平經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)向下的毛刺信號(hào)，該信號(hào)引起外部中斷，造成了接收到回波信號(hào)的誤判。解決方法是采用低電平觸發(fā)，同時(shí)在進(jìn)入外部中斷之后判斷低電平的持續(xù)時(shí)間是否大于20μs，只有當(dāng)滿(mǎn)足持續(xù)時(shí)間要求時(shí)，才判定接收到的信號(hào)為回波信號(hào)，而非噪聲。

3.2 測(cè)距結(jié)果及分析

表1 測(cè)距結(jié)果Tab.1 Ranging result

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。將超聲波探頭正對(duì)平整的墻壁進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)距離不同記錄了12次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，測(cè)距結(jié)果如表1所示。表中的實(shí)際距離是用塑料軟尺測(cè)量得到的，測(cè)量距離為測(cè)量5次結(jié)果之后的平均值。

誤差產(chǎn)生及測(cè)量范圍有限的原因主要有：

1)超聲波能量的衰減。由于超聲波在傳播途中回波幅度隨傳播距離成指數(shù)規(guī)律衰減，使得遠(yuǎn)距離回波很難檢測(cè)，即使系統(tǒng)已采用相關(guān)措施來(lái)避免誤差，但是超聲波能量的衰減是不可能避免的；

2)測(cè)量盲區(qū)。超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量盲區(qū)的計(jì)算方法為啟動(dòng)定時(shí)器與打開(kāi)外部中斷之間的時(shí)間間隔的一半與超聲波速度的乘積；

3)接收整形電路造成的時(shí)延，信號(hào)傳輸和發(fā)射中的失真。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，連續(xù)測(cè)量時(shí)有很好的響應(yīng)速度。同時(shí)，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗小、成本低的特點(diǎn)，有良好的人機(jī)界面，能方便地實(shí)時(shí)顯示測(cè)距數(shù)據(jù)。當(dāng)然，要滿(mǎn)足更高的精度要求，還須進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，在某些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用中，還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。

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