一種基于單片機的超聲波傳感器的研究與設計*

蘇 強，林旭梅

(青島理工大學 自動化工程學院，山東 青島 266520)

現(xiàn)代工業(yè)正向著智能化、自動化的方向發(fā)展，測距技術作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分對穩(wěn)定度和精度的要求也日益嚴格。傳統(tǒng)測量手段由于受環(huán)境、工具和人為因素影響，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)測量的要求。超聲波測距作為一種非接觸式的測距方式，以其抗干擾能力強[1-2]、測量范圍廣、易于控制、測量精度高等優(yōu)點，已經(jīng)在工業(yè)測量領域得到廣泛應用。本系統(tǒng)設計應用于石油泥漿液位測量，設計測量范圍為50 cm～600 cm，設計測量精度為厘米級，特點在于系統(tǒng)采用溫度補償對測量數(shù)據(jù)進行修正，確保準確性。

1工作原理及系統(tǒng)設計

1.1超聲波測距原理

超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板和電極等部分構成。兩電極間加上一定的電壓時壓電晶片就會被壓縮產(chǎn)生機械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復原狀。若在兩極間按照一定的頻率加上電壓，則壓電晶片也會保持一定的頻率振動。經(jīng)試驗測得此型號壓電晶片的固有頻率為38.4 kHz，則在兩極外加頻率為40 kHz的方波脈沖信號，此時壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射出超聲波。同理，沒有外加脈沖信號的超聲波傳感器在共振板接收到超聲波時也會產(chǎn)生共振，在兩極間產(chǎn)生電信號[3]。

1.2系統(tǒng)原理設計

本系統(tǒng)硬件主要由超聲波發(fā)射、超聲波接收及放大、單片機控制與液晶顯示、溫度采集和補償?shù)炔糠纸M成，如圖1所示。當按下復位鍵啟動系統(tǒng)工作時，單片機向傳感器發(fā)射頭送出若干40 kHz的方波脈沖，同時啟動定時器對超聲波傳播時間進行計時。當接收頭收到反射回的超聲波(在有效測距范圍內(nèi))并經(jīng)放大濾波傳入單片機時，定時器停止計時。查表得到測距溫度下的聲速，按式(1)計算出測量距離，送液晶顯示。

式中s為測量距離，C為超聲波傳播速度，t為傳播時間。

圖1 超聲波測距組成部分框圖

2系統(tǒng)電路設計

2.1超聲波發(fā)射電路

由于系統(tǒng)工作環(huán)境比較惡劣，為保證測距的范圍和精度，需要保證傳感器發(fā)射頭的外加壓差足夠大。因此采用轉(zhuǎn)換范圍較大、工作穩(wěn)定的16位CMOS轉(zhuǎn)換器CD4049組成超聲波發(fā)射電路的主體(CD4049最大轉(zhuǎn)換電壓與探頭最大驅(qū)動電壓同為20 V)。超聲波發(fā)射電路如圖 2所示[4]。

考慮到發(fā)射頭一般需要5個方波周期達到穩(wěn)定震蕩狀態(tài)的95%，經(jīng)1.5倍上升時間達穩(wěn)定震蕩狀態(tài)的99%[5]。為保證最大程度的觸發(fā)，單片機每組產(chǎn)生12個帶寬為12 μs的方波經(jīng)調(diào)理電路傳到發(fā)射頭。

2.2超聲波接收放大電路

超聲波在空氣中傳播的衰減程度隨傳播距離的增加而增大，所以反射回來被接收頭收到的信號非常微弱，不能直接送入后級電路處理，首先要經(jīng)過信號放大。超聲波接收放大電路如圖3所示[6]。

被接收頭收到的回波信號為正弦波信號，信號強度一般只有幾十毫伏。接收部分前置放大電路是由集成運放NE5532組成的自舉式同向交流放大電路。前兩級放大電路構成10 000倍的放大器，對正弦波信號進行足夠放大。后級采用集成LM311-8比較器對前級放大信號進行調(diào)理，通過IN-引腳引入一個標準電平，輸入包絡信號的電位高于標準電平則為1，低于標準電平則為0，將包絡信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C可識別的中斷脈沖信號。當與單片機的中斷輸入端相連的LM311的第7管腳輸出一個低電平時，計數(shù)器立即停止計時并保存數(shù)據(jù)。

2.3單片機控制和顯示電路

本系統(tǒng)的主控模塊是AT89S52單片機。該控制器具有8 KB的RAM內(nèi)存空間，在線編程與調(diào)試比較方便。單片機控制單元主要包括復位電路、液晶顯示電路、發(fā)射控制端、回波接收端幾部分。由于測量距離需要直觀顯示，且系統(tǒng)安裝于戶外功耗要盡可能低、體積盡可能小，因此采用易于與CMOS電路相匹配的128×64點陣式液晶顯示模塊。接口電路如圖4。

3軟件設計及流程

3.1軟件整體流程

系統(tǒng)軟件主要由主程序、初始化程序、發(fā)射子程序、中斷子程序、顯示子程序組成。軟件整體流程如圖 5。

圖5 軟件整體流程框圖

系統(tǒng)上電后首先初始化，設置定時器、計數(shù)器工作方式，打開總中斷，顯示端口清零等。為避免從發(fā)射頭發(fā)出的超聲波直接被接收頭作為回波接收，在調(diào)用定時器中斷子程序 (發(fā)射方波)后設置0.2 ms的延時，然后打開外部中斷0接收回波[7]。系統(tǒng)采用晶振頻率為12 MHz，機器周期為 1 μs， 主程序檢測到回波接收成功后將計數(shù)器T0中的值T0按下式計算即可得測量距離(設 20℃時聲速為 340 m/s)[8]：

最后將所得數(shù)值以二進制數(shù)形式通過P0口直接傳入液晶顯示。

3.2發(fā)射和中斷子程序

超聲波發(fā)射子程序的作用是通過P1.2口在定時器的設定時刻取反交替產(chǎn)生寬度為12 μs的高低電平輸出方波脈沖。定時器中斷程序[9]流程如圖6。外部中斷程序流程如圖7。

圖6 定時器中斷子程序流程圖

圖7 外部中斷子程序流程圖

4誤差分析及系統(tǒng)精度提高

在系統(tǒng)測試過程中發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)性能和測量精度影響較大的主要有測量盲區(qū)、回波時間的確定、控制器定時器偏差、溫度對速度的影響等幾方面。

4.1測量盲區(qū)

造成測量盲區(qū)存在主要有兩方面因素：超聲波發(fā)射頭在發(fā)射出一串方波信號后經(jīng)過一段延時才打開外部中斷入口，防止方波信號直接進入接收頭作為回波引起中斷，產(chǎn)生誤測量，延時對應的距離即為盲區(qū)；另一方面，在測量較近距離時，回波信號會與發(fā)射余波重疊造成尋峰失敗，同樣產(chǎn)生測量盲區(qū)。

對于第一種測量盲區(qū)，經(jīng)試驗證明，在可承受范圍內(nèi)減小脈沖寬度、減少脈沖發(fā)射個數(shù)，從而間接減小了延時時間，擴大測量范圍。但同時會由于脈沖個數(shù)的減少對測量上限造成影響。對第二種測量盲區(qū)，主要做法是在回波接收電路中加入余振吸收電路，改變接收放大倍數(shù)，適當延時，并利用部分未飽和余波等方式共同減小盲區(qū)[10]。

4.2回波時間的確定

發(fā)射的方波信號由于強度所限，在經(jīng)過傳播和反射后，回波信號強度有所衰減，出現(xiàn)包絡現(xiàn)象，但其頻率與發(fā)射波相同，沒有變化。單片機確定接收到回波的時刻實際是一個高低電平的變化時刻，與回波頻率無關。而包絡信號不是優(yōu)質(zhì)的電平信號，直接輸入單片機會造成較大誤差。解決方案是接收電路中加入一個電平比較器，其輸出頻率也為40 kHz，輸出標準方波電平信號作為比對，在接收電路的放大器輸入(接收到)高于 0.4 V的電平信號時，通過比較器的輸出電壓變?yōu)闃藴实?5 V電平輸入單片機，此時刻即為回波接收時刻[11]。

4.3溫度補償

在常溫常壓下聲速可以認為是定值，但液位監(jiān)測的工作環(huán)境溫度變化較大。聲速與溫度的關系為[12-13]：

溫度變化范圍為-20℃～+40℃，則聲速會產(chǎn)生36 m/s的巨大變化，必須設置溫度對聲速的補償。

離線條件下計算出不同溫度下的聲速值并放存儲器存儲，18B20測得現(xiàn)場溫度傳入單片機后，查找對應溫度的聲速并以此作為校正值進行距離的計算?？諝庵新曀俦磉_式可寫為：

其中E為常量，T為溫度。測量誤差可表示為[3]：

式中，s為測量距離，△T為溫度變化。結合本系統(tǒng)實際情況，測量距離為 5 m，測量溫度為 293 K(20℃)，溫度變化為1℃時測量誤差為：

由此可見經(jīng)過溫度補償后的精度達到厘米級，可以較好地達到測量要求。測量溫度為11.2℃時的實驗數(shù)據(jù)如表1。由表1可以看出測量上限為600 cm，下限為50 cm，有效測距范圍內(nèi)測量誤差小于±2 cm。

通過大量實現(xiàn)數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)測量誤差小于±2 cm，滿足設計要求，并且符合工業(yè)標準。基于超聲波受粉塵、震動及電磁波等惡劣工業(yè)因素影響極小的特點，本系統(tǒng)還可廣泛用于工業(yè)測距、汽車行駛、金屬探傷等領域，具有較好的應用前景。

表1 測量數(shù)據(jù)與實際距離比較表(cm)

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