基于单片机的高精度超声波测距系统

　　0　引言

　　随着现代工业的发展,超声检测技术得到了越来越广泛的应用。其中超声波测距是一种利用超声波的可定向发射、指向性好等特性、结合电子计数等微电子技术来实现的非接触式检测方式,在使用中不受光线、电磁波、粉尘等因素影响,加之信息处理简单、成本低、速度快,在避障、车辆的定位与导航、液位测量等领域应用更为广泛。

　　1　超声波测距原理

　　谐振频率高于20 kHz的声波称为超声波[1]。超声波为直线传播方式,频率越高,反射能力越强,而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性,常常用渡越时间检测法进行距离的测量。其工作原理是:换能器向介质发射超声波,声波遇到目标后必然有反射回波作用在换能器上。若已知介质中声速为c,回波到达时刻与发射波时刻的时间差为t,就可以计算出发射点与反射点的距离s:

式中c为超声波的传播速度,m/s.

　　超声波在固体中传播速度最快,在气体中传播速度最慢,而且声速c与温度有关[2]。如果环境温度变化显著,必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可以表示为

式中T为环境温度,℃.

　　由于超声波在传播过程中,声压会随距离的增大而呈指数规律衰减,远目标的回波信号幅度小、信噪比低,用固定阈值的比较器检测回波,可能导致越过门槛的时刻前后移动,从而影响计时的准确性,这必然会影响到测距的准确度[3]。在回波接收电路中串入随时间变化的自动增益控制(AGC)电路,电压放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加,使接收回波的幅值保持恒定或者仅在较小范围内变化,再经过整形电路输出,这样可以大幅度地提高测距的精度。

　　2　系统设计

　　根据超声波在空气中的传播特性,设计了带有自动增益控制的超声波测距系统,系统框图如图1。

　　系统由ATMEL公司生产的AT89C52单片机、超声波发射电路、发射接收切换电路、接收前置放大滤波电路、自动增益控制(AGC)电路、整形电路、环境温度采集电路、E2PROM存储电路、显示电路和超声波传感器组成。AT89C52单片机为整个系统的核心部件,协调各部分电路的工作。传感器选用TCF40-16型收发一体式超声波传感器,谐振频率为40 kHz;单片机产生的40 kHz的脉冲信号,经三极管和变压器放大后,通过发射接收切换电路驱动超声波传感器;每次发射7个脉冲,当第一个脉冲发射后,启动计数器开始计数;回波信号经过发射驱动接收转换电路、前置放大电路、带通滤波电路、自动增益控制(AGC)电路、整形电路后经过比较器输入AT89C52单片机中,单片机AT89C52停止计数器计数;环境温度采集电路将现场温度数据送到单片机中,最后利用式(1)、式(2)计算出距离,并由显示电路显示出来。