基于ATMEGA8的低成本超聲波測距儀設(shè)計

許紅梅，劉相華

（山東省東營市墾利縣供電公司，山東 墾利 257500）

近些年來，隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入，再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲的應(yīng)用變得越來越普及。目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在機械制造、電子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。

目前常用的測距方式，主要有雷達測距、紅外測距、激光測距和超聲測距4種。超聲波測距，多應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_、機器人定位[1]、建筑工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，如液位、井深的測量等場合。石油石化行業(yè)對油庫和水箱液面的精確測量和控制的要求，越來越嚴(yán)格。

基于以上需要，筆者以ATMEGA8單片機為控制核心，設(shè)計了一種低成本的小型化超聲波測距系統(tǒng)[2]，并介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計方法。

1 超聲波測距基本原理

超聲波測量技術(shù)，是基于蝙蝠等無目視能力的生物防御及捕捉獵物生存的原理[3]，利用超聲波（20 kHz以上的機械波）借助空氣媒質(zhì)傳播，通過遇到障礙物反射回來的時間間隔長短，及被反射超聲波的強弱，判斷障礙物性質(zhì)和位置的方法。

本系統(tǒng)采用時間間隔檢測法，即測距時，超聲波發(fā)射器有規(guī)律發(fā)射超聲波，遇到被檢測對象后，反射回來，通過超聲波接收器接收到反射波信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑴y出從發(fā)射超聲波至接收到反射波的時間差（時間間隔t），如圖1所示。

圖1 超聲波發(fā)射和接收時差

t 與超聲波傳播速度c 相乘，可求出被測距離s，即

由于超聲波的聲速和溫度有關(guān)[4]，如果溫度變化不是很大，認(rèn)為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，那么可以通過溫度補償?shù)姆椒?，來加以校正。不同溫度下，超聲波在空氣中的傳播速度，隨溫度變化關(guān)系為

式中，T 為實際溫度；c 的單位為m/s。

2 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)超聲波的工作原理，結(jié)合現(xiàn)場的使用需要，設(shè)計了一種低成本、低功耗的超聲波測距系統(tǒng)。超聲波測距系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距系統(tǒng)框圖

2.1 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計

結(jié)合應(yīng)用要求，根據(jù)超聲波測距原理，以ATMEG8單片機為核心[5]，利用ATMEGA8單片機自帶PWM輸出40 kHz超聲波信號，通過相應(yīng)放大電路后發(fā)射超聲波。反射回來的超聲波，經(jīng)過前置放大、帶通濾波、檢波比較和波形整形后，送入ATMEGA8單片機，其中發(fā)射和接收信號間的時間差利用ATMEGA8單片機內(nèi)部定時器進行測量，最終計算得到相應(yīng)的距離。

采用AVR系列8位單片機ATMEGA8為核心控制器件，控制超聲波的產(chǎn)生、超聲波反射信號接收、數(shù)據(jù)處理和測量結(jié)果顯示等。ATMEGA 8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機，自帶3路PWM輸出和比較和捕獲模式的16位定時/計數(shù)器，其可以達到接近1MIPS/M的性能，運行速度比普通CISC單片機高出10倍，執(zhí)行指令時間短，集成度高，價格更低。

超聲波發(fā)射電路，主要由緩沖反向器CD4049和超聲波換能器構(gòu)成。CD4049為六反相緩沖器，具有可以僅使用單一電源，就可實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的功能，其輸入電壓為-0.5～+18 V。

為了進一步增大輸出的功率，滿足超聲波換能器的最佳發(fā)射電壓要求，由PB1發(fā)出的PWM波，經(jīng)過三極管9013做電平轉(zhuǎn)換之后，在CD4049的第3腳所加電平，就可轉(zhuǎn)換為12 V的高低電平。在經(jīng)過反相器的并聯(lián)推挽之后，在超聲波發(fā)射頭的兩腳上所加的電壓峰峰值就為24 V，有效提高驅(qū)動能力，延伸測量范圍。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3 超聲波發(fā)射電路

超聲波接收電路，由音頻放大器NE5532和比較器LM311組成。音頻放大器NE5532進行前置放大后，由電平比較器LM311產(chǎn)生檢測輸出信號。具體超聲波回波接收處理電路圖如圖4所示。

圖4 超聲波接收電路

超聲波傳感器接收到的微弱信號，首先由NE5532的U3：A進行一級放大，根據(jù)R4與R1的電阻比值，可知這一級放大約為100倍，；C5為高頻干擾濾波電容，增強抗干擾能力，一級放大后由C6隔離送入第二級放大，同樣約放大100倍，這時的信號已經(jīng)達到了1V左右，可以送入比較器LM311進行后續(xù)信號比較了。

LM311作為寬電源電壓的通用電平比較器，擁有較高靈敏度與抗干擾能力。LM311的第2腳輸入為經(jīng)過NE5532放大后的超聲波回波信號；而LM311的第3腳輸入為比較電平，通過調(diào)節(jié)可變電阻RW1的阻值，可使比較電平在0～12 V之間變化。為保證每次接收信號，都能被準(zhǔn)確的鑒別出來，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機的外中斷引腳，通常采用某一固定電平或滑動門限電平作為比較電平。以零電平作為比較電平是行不通的，因為放大后的信號中，含有一定幅值的噪聲，這樣一來，即使沒有接收信號，也會造成比較器反復(fù)觸發(fā)，從而無法判斷那個信號是真正的接收信號。若采用某一高于一般噪聲峰值的固定電平，就可以削除一般噪聲的影響，而且比比較電平固定，可以實現(xiàn)對電路信號的準(zhǔn)確檢測。

溫度測量選用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，其通過輸出9位（二進制）數(shù)字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過DS18B20的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU，無需A/D轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令，溫度轉(zhuǎn)換指令，都是通過數(shù)據(jù)總線傳入DS18B20，無需外部電源。

2.2 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個超聲波測距系統(tǒng)超聲波信號的發(fā)射和接收、數(shù)據(jù)的傳輸以及計算，都是由單片機內(nèi)部程序完成的。

程序采用的是時間間隔測量法[6]，由ATMEGA8控制芯片內(nèi)部PWM發(fā)生器產(chǎn)生40 kHz的超聲波信號，每次測量發(fā)射的脈沖數(shù)至少4個完整的40 kHz脈沖。發(fā)射信號前要打開定時/計數(shù)器，以保證發(fā)出超聲波脈沖數(shù)目滿足要求。

滿足一定值后，再開啟檢測回波信號,以避免余波信號的干擾。采用外部管腳比較和捕獲功能對回波信號進行檢測（回波信號送到單片機的為方波脈沖）。

接收到回波信號后，立即讀取計數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為需要測量的時間差數(shù)據(jù)。

考慮溫度和發(fā)送脈沖波持續(xù)時間對系統(tǒng)測量精度的影響，需要根據(jù)當(dāng)前溫度和發(fā)射脈沖持續(xù)時間，對測量結(jié)果進行修正。為減小測量數(shù)據(jù)的誤差，每次測距都需要測量多次，在獲取多組數(shù)據(jù)后取其平均值，作為測距最終值，具體程序流程圖如圖5所示。

圖5 超聲波測距系統(tǒng)程序流程圖

3 實驗結(jié)果分析

在實際測試時，充分考慮現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境和系統(tǒng)測量范圍的要求，測距范圍是30～120 cm之間，在此范圍內(nèi)，每隔5 cm進行一次測量、修正，選取10組測量數(shù)據(jù)，如表1所列。

表1 超聲波測距系統(tǒng)試驗結(jié)果

以上測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過MATLAB進行處理比較，其對應(yīng)曲線如圖6所示。表明實際測量時存在一定的誤差，該誤差主要來源于系統(tǒng)產(chǎn)生PWM即超聲波發(fā)出與接收的時間差計算，以及反射回波開始反射的位置等。

圖6 基于MATLAB的結(jié)果處理曲線

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)在實際實驗中，充分利用ATMEGA8單片機內(nèi)部的軟件資源，利用其脈寬調(diào)制功能產(chǎn)生40 kHz的超聲波，使整個系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、軟件的升級和更新方便，較好的滿足了現(xiàn)場的測量要求。

[1]紀(jì)良文，蔣靜坪.機器人超聲測距數(shù)據(jù)的采集與處理[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2001，(9)：23–27．

[2]潘宗預(yù)，潘 登.超聲波測距精度的探討[J].湖南大學(xué)學(xué)報，2002，29(3)：18–21．

[3]李茂山.超聲波測距原理及實踐技術(shù)[J].實用測試技術(shù)，1994，(1)：12–20．

[4]李 彬，李慶坤.基于溫度補償?shù)某暡y距設(shè)計[J].計量技術(shù)，2007，（7）：12–14．

[5]馬 潮，詹為前，耿德根.Atmega8原理與應(yīng)用手冊[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003．

[6]孫 杰，潘繼飛.高精度時間間隔測量方法綜述[J].計算機測量與控制，2007，15(2)：145–148．