劉燎原

(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

0 引言

超聲波指向性強(qiáng),能量消耗慢,經(jīng)常被用來(lái)測(cè)量距離。目前,市場(chǎng)上的超聲波測(cè)距儀功能單一,無(wú)法查詢和記錄前幾次測(cè)量結(jié)果,不具有記憶功能;沒(méi)有盲區(qū)設(shè)置功能,無(wú)法設(shè)置合理的盲區(qū)使超聲波測(cè)距儀測(cè)量準(zhǔn)確。

超聲波測(cè)距是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知,測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間,根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離。實(shí)際使用超聲波測(cè)距儀時(shí)不光要測(cè)量當(dāng)前距離,在很多情況下還要保存前幾次的測(cè)量結(jié)果,用來(lái)和當(dāng)前結(jié)果形成對(duì)比,為測(cè)量者做出正確的判斷提供依據(jù)。本系統(tǒng)可以保存4次測(cè)量結(jié)果,并可以通過(guò)按鍵翻查前3次測(cè)量結(jié)果,并且在測(cè)量、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)翻查時(shí)都有對(duì)應(yīng)的指示燈指示[1]。

盲區(qū)是由于換能器在發(fā)送了超聲波后會(huì)有余震導(dǎo)致不能識(shí)別回波而形成檢測(cè)盲區(qū),任何一款超聲波測(cè)距儀都存在超聲波測(cè)距盲區(qū)值選擇問(wèn)題。如果測(cè)距盲區(qū)選擇不當(dāng),超聲波測(cè)距儀就不能正常使用?？梢赃m當(dāng)增大發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離,收發(fā)不互相影響,那要求地線隔離要很好,否則不能減小測(cè)量盲區(qū)[2]。本系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置功能,可以通過(guò)按鍵來(lái)調(diào)整測(cè)量盲區(qū),并可以把設(shè)置的測(cè)量盲區(qū)數(shù)據(jù)保存起來(lái),根據(jù)測(cè)量盲區(qū)來(lái)校準(zhǔn)輸出電壓,根據(jù)電壓大小反映盲區(qū)是否設(shè)置得當(dāng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件模塊由單片機(jī)、獨(dú)立按鍵、數(shù)碼管顯示、超聲波傳感器、EEPROM存儲(chǔ)、DAC電壓輸出、LED指示燈構(gòu)成,如圖1所示。本系統(tǒng)首先利用單片機(jī)P1.0發(fā)出40 kHz的方波到發(fā)射超聲波探頭發(fā)射超聲波,根據(jù)接收探頭接收到反射波的時(shí)間換算出所測(cè)距離,在8位數(shù)碼管上顯示測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)有4個(gè)獨(dú)立按鍵,包括“測(cè)距”“查詢”“翻頁(yè)/步進(jìn)”“盲區(qū)調(diào)整”按鍵,系統(tǒng)在測(cè)距、數(shù)據(jù)翻查、參數(shù)設(shè)置等功能時(shí),分別有L1、L2、L3指示燈來(lái)指示工作,供用戶直接判別。EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)4次的測(cè)量結(jié)果和設(shè)置的盲區(qū)距離,供用戶查詢。用戶可根據(jù)DAC電壓校準(zhǔn)輸出來(lái)判斷是否處于測(cè)量盲區(qū)[3]。

圖1 超聲波測(cè)距儀原理

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 超聲波傳感器

本系統(tǒng)的超聲波發(fā)射電路如圖2所示,N-A1和單片機(jī)P1.0相連,超聲波接收電路如圖3所示,N-B1和單片機(jī)P1.1相連[4]。

圖2 超聲波傳感器發(fā)射電路

圖3 超聲波傳感器接收電路

本系統(tǒng)首先利用單片機(jī)P1.0產(chǎn)生40 kHz的方波信號(hào),加到超聲波發(fā)射電路的N-A1引腳,通過(guò)反相器構(gòu)成的推挽電路來(lái)提高該方波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力和發(fā)射強(qiáng)度,最后通過(guò)超聲波發(fā)射探頭T發(fā)射出去,同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的T0來(lái)計(jì)時(shí)。

超聲波在空氣中傳播,當(dāng)這個(gè)超聲波信號(hào)遇到被測(cè)物體后就立即反射回來(lái),超聲波接收探頭R接收到反射波后加到超聲波接收電路的超聲波接收專用芯片CX20106A上,該芯片對(duì)反射波進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等,最后該芯片的N-B1引腳輸出低電平加到單片機(jī)的P1.1引腳,并且立即停止T0計(jì)時(shí),一次完整的測(cè)距過(guò)程結(jié)束。利用定時(shí)器T0換算出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間t,聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s,即s=340 m/s×t/2。

2.2 EEPROM

本系統(tǒng)利用AT24C02芯片來(lái)存儲(chǔ)信息,它是一種通過(guò)IIC總線接口進(jìn)行操作的EEPROM,內(nèi)部含有256個(gè)8位字節(jié)單元,有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能。該芯片接口線少、占用的空間非常小、控制簡(jiǎn)單、通信速率較高。本系統(tǒng)利用AT24C02來(lái)存儲(chǔ)4次的測(cè)量結(jié)果和設(shè)置的盲區(qū)距離,供用戶查詢,詳細(xì)的電路連接如圖4所示。

圖4 AT24C02的連接電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)統(tǒng)有4個(gè)獨(dú)立按鍵,包括 “測(cè)距”“查詢”“翻頁(yè)/步進(jìn)”“盲區(qū)調(diào)整”按鍵。本系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)利用單片機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)平臺(tái)來(lái)測(cè)試。系統(tǒng)一上電,8位數(shù)碼管顯示提示符“--------”,表示準(zhǔn)備就緒。若按下“測(cè)距”按鍵一次,啟動(dòng)一次測(cè)距過(guò)程,8位數(shù)碼管同時(shí)顯示本次測(cè)量結(jié)果和上次測(cè)量結(jié)果,單位為厘米,供用戶參考?！癈”表示當(dāng)前為測(cè)距狀態(tài),前3位“013”為本次測(cè)量結(jié)果,后3位 “009” 為上次測(cè)量結(jié)果。每次的測(cè)量結(jié)果都被存入AT24C02,但它只記錄保留最近4次測(cè)量結(jié)果,按下“查詢”按鍵,可以切換到4次測(cè)量數(shù)據(jù)的翻查功能,此時(shí)配合“翻頁(yè)/步進(jìn)”按鍵,每按下“翻頁(yè)/步進(jìn)”按鍵一次,顯示一次的測(cè)量數(shù)據(jù)?！?”表示查詢前第幾次測(cè)量,“009”為第四次測(cè)量結(jié)果。再次按下“查詢”按鍵,數(shù)碼管又切換到測(cè)距顯示界面。

“盲區(qū)調(diào)整”按鍵為盲區(qū)參數(shù)設(shè)置按鍵,按下該鍵,數(shù)碼管切換到當(dāng)前盲區(qū)數(shù)值的調(diào)整界面,此時(shí)每按下“翻頁(yè)/步進(jìn)”一次,盲區(qū)數(shù)值步進(jìn)10 cm,參數(shù)可在0～30 cm循環(huán)調(diào)整?！癋”表示為盲區(qū)調(diào)整狀態(tài),“20”為當(dāng)前設(shè)置的盲區(qū)值。再次按下“盲區(qū)調(diào)整”按鍵,把設(shè)置的盲區(qū)數(shù)值保存到AT24C02中,數(shù)碼管又切換到測(cè)距顯示界面。

系統(tǒng)通過(guò)PCF8591實(shí)現(xiàn)DAC輸出功能,DA輸出的電壓值取決于超聲波測(cè)距的結(jié)果。當(dāng)所測(cè)距離小于測(cè)量盲區(qū)時(shí),電壓輸出為0;當(dāng)所測(cè)距離大于測(cè)量盲區(qū),電壓輸出的值=(所測(cè)距離-測(cè)量盲區(qū))×0.02,用戶可根據(jù)DAC電壓校準(zhǔn)輸出來(lái)判斷是否處于測(cè)量盲區(qū)。為了正確區(qū)分指示本系統(tǒng)的各種功能,系統(tǒng)在測(cè)距、數(shù)據(jù)翻查、參數(shù)設(shè)置等功能時(shí),分別有L1、L2、L3指示燈來(lái)指示工作,供用戶直接判別。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)功能全面,具有記憶功能,可以查詢和記錄最近4次測(cè)量結(jié)果,對(duì)測(cè)量者做出正確的判斷提供依據(jù),還具有盲區(qū)參數(shù)設(shè)置功能,利用盲區(qū)值來(lái)校準(zhǔn)DAC輸出電壓,用戶可根據(jù)DAC電壓校準(zhǔn)輸出來(lái)判斷是否處于測(cè)量盲區(qū)。本系統(tǒng)有很廣泛的使用場(chǎng)合,可以用于建筑工地的測(cè)距、泊車輔助系統(tǒng)、智能導(dǎo)盲系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人的避障、液位高度的測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)合。