0 引言
超聲波是一種在彈性介質中的機械震蕩,它是由與介質相接觸的震蕩源所引起的,其頻率在20kHz以上。由于超聲波的速度相對于光速要小得多,其傳播時間就比較容易檢測,并且易于定向發射,方向性好,強度好控制,因而利用超聲波測距在很多距離探測應用中有很重要的用途,包括無損檢測、過程測量、機器人測量和定位,以及流體液面高度測量等。利用單片機控制超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現,并且測量精度高。
1 系統設計
超聲波測距的最遠距離和分辨能力,不僅需要良好的換能器,也需要合理的驅動電路及回波探測電路。對發射而言,為了使電能到機械能的轉換效益最大,換能器必須工作在它的共振頻率處。對接收電路而言,為了使機械能到電能的轉換效率最大,最佳工作點必須取在反共振頻率處,在傳感器系統中,發射部分的共振頻率要與接收部分的反共振頻率相匹配。同時,溫度對聲速有著較大的影響,溫度補償無疑是減少誤差的很好方法。本設計選用T40-16T/R超聲波傳感器,設計了一種以AT89C2051單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀。為了進一步提高系統測量精度和系統穩定性,在硬件上增加了溫度傳感器測溫電路,采取聲速預置和媒質溫度測量相結合的辦法對聲速進行修正,降低了溫度變化對測距精度的影響。有力提高了超聲波測距系統的測量精度。
設計系統由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發射模塊、接收模塊、溫度測量補償模塊等五個模塊組成,組成框圖如圖1所示。
超聲波發射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發送,超聲波接收電路輸出端與單片機相連接,單片機的輸出端與顯示電路輸入端相連接。單片機在TO時刻發射方波,同時啟動定時器開始計時,當收到回波后,產生一負跳變到單片機中斷口,單片機響應中斷程序,定時器停止計數。計算時間差即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t,由此便可計算出距離。
2.1 超聲波測距單片機控制系統
單片機AT89C2051采用12MHz高精度的晶振,以獲得較穩定時鐘頻率,減小測量誤差。單片機P3.5端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號,P3.6端口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數碼管,段碼輸出端口為單片機的P1口,位碼輸出端口分別為單片機的P3.2、P3.1、P3.0口,數碼管位驅運用PNP三極管S9012三極管驅動。而溫度測量采用簡單的DS18B20溫度傳感器,測量結果送入P3.4口,利用公式算出聲速。
2.2 超聲波發射、接收電路
超聲波發射、接收電路如圖2所示。超聲波發射電路由電阻R2及超聲波發送頭T40組成;接收電路由BG1、BG2X組成的兩組三級管放大電路組成;檢波電路、比較整形電路由C7、D1、D2及BG3組成。
40kHz的方波由AT89C2051單片機的P3.5驅動超聲波發射頭發射超聲波,經反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波,由于聲波在空氣中傳播時衰減,所以接收到的波形幅值較低,經接收電路放大、整形,最后輸出一負跳變,輸入單片機的P3.7腳。由于單片機系統的晶振為12M晶振,所以只能產生半周期為12μs或13μs的方波信號,頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統在編程時選用了后者。接收到的信號加到BG1、BG2組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器的放大倍數為70倍。放大的信號通過檢波電路得到解調后的信號。這里使用的是IN4148檢波二極管,輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結構簡單,性能較好,制作難度小。
2.3 溫度測量補償電路
在空氣中,常溫下超聲波的傳播速度是334m/s,但其傳播速度受空氣中溫度、濕度等因素的影響,其中受溫度影響較大,如溫度每升高1℃,聲速就會增加約0.6m/s。因此在相同的間隔測量距離,由于波的傳播時間是相同的,不同溫度下的聲速不同,所以最終造成測量出來的距離不相等,在距離測量精度要求很高的情況下,必須要對溫度進行測量和補償,以避免溫度對測量精度的影響。本系統選用DS18B20溫度傳感器作為溫度測量、誤差補償裝置,與單片機交換信息僅需要一根I/O口線,其供電電源可來源于單片機I/O口數據線,而無需額外電源。不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系如下:
v=331.4+0.61T (1)
式中,T為實際溫度(℃),v為當前環境下聲速,單位為m/s。
3 系統軟件設計
軟件設計部分采用模塊化設計,由主程序、發射子程序、接收子程序、中斷子程序、溫度測量等組成。超聲波測距的程序既有較復雜的計算(計算距離時),又要求精細計算程序運行時間(超聲波測距時),所以控制程序采用C語言編程。主程序完成初始化工作、超聲波發射和接收順序的控制、距離上下限超限報警。定時中斷服務子程序完成超聲波回波接收,外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。
主程序首先是對系統環境初始化,設定時器0為計數,設定時器1定時。置位總中斷允許位EA。進行主程序后,進行定時測距判斷,當測距標志位c1=1,即進行測量一次,程序設計中,超聲波測距頻度是2次/秒。測距間隔中,整個程序主要進行循環顯示測量結果。當調用超聲波測距子程序后,首先由單片機產生6~8個頻率為38.46kHz超聲波脈沖,加載至超聲波發送頭上。超聲波頭發送完超聲波后,立即啟動內部計時器T0進行計時,為了避免超聲波從發射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發,這時,單片機需要延時約1.5~2ms時間(這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因,稱之為盲區值)后,才啟動對單片機P3.7腳的電平判斷程序。當檢測到P3.7腳的電平由高轉為低電平時,立即停止T0計時。
當停止計時時,立刻啟動測溫程序,通過對溫度的讀取,算得此時聲速。由于采用單片機采用的是12MHz的晶振,計時器每計一個數就是1μs,當超聲波測距子程序檢測到接收成功的標志位后,將計數器T0中的數(即超聲波來回所用的時間)計算,即可得被測物體與測距儀之間的距離。測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s,然后再發超聲波脈沖重復測量過程。我們知道,溫度對聲速的影響是很大的,因而應該先測量溫度,再計算出此溫度下的聲速。
4 調試及數據分析
系統組裝調試時先焊接各個模塊,再進行模塊的單獨測試,原件安裝完畢后,將寫好程序的AT89C2051機裝到測距板上,通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復移動,觀察數碼管在測量范圍內能否正常顯示。超聲波發送功率較大時,測量距離遠,則相應的下限值(盲區)應設置為較高值。
系統測距實驗時在不同的實測溫度下,整個系統在11個特定的距離都測量7次,共計77次測量。每組7個數據,去掉一個最大值和最小值,再求其平均值,用來作為最終的測量數據。
由圖4可見,不同的實測溫度下,在30~300cm范圍內測量線和實際線幾乎完全重合,此時測量的精確度最高。所以本設計系統的可測距離為28~400cm,但是最佳測量距離為30~250cm。
5 結論
本設計完成的測距系統進行了有效的溫度補償,測量精度可達0.01m,而且測量結果清晰穩定,響應時間短,0.5s刷新一次數據,測量的實時性和連續性好。本系統可在做細微調整、改進后用于多個應用領域,比如簡單的移動機器人、汽車防碰撞等。