超聲測距測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊鑫玙,喻秋山,季偉馳,胡 蘇

(長江大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)車輛的保有量和交通安全事故絕對數(shù)量都呈明顯上升趨勢，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重威脅. 為此人們采取了多種措施來降低這種風(fēng)險(xiǎn)，典型的如研制防碰撞預(yù)警安全系統(tǒng)[1-3]. 這類系統(tǒng)?；诩す饣蚶走_(dá)波為載體進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有精度高、監(jiān)測范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜等不足嚴(yán)重阻滯了該類系統(tǒng)的普及與推廣[4-6]. 據(jù)統(tǒng)計(jì)[7]，很多場合下行車安全預(yù)警應(yīng)用中對車輛的實(shí)時(shí)測速和測距精度要求并不高. 因此，操作簡便、測量精度適中、性價(jià)比高的經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)測距測速預(yù)警裝置將有廣闊的市場應(yīng)用空間. 本文以AT89C52為核心，以超聲波為載體，設(shè)計(jì)出超聲波測距測速預(yù)警安全行車系統(tǒng)，該系統(tǒng)將具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

由20 kHz以上的電脈沖驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷片換能器發(fā)射的聲波稱為超聲波[8]. 超聲波因其頻率高、波長短在空氣中傳播時(shí)有近似直線傳播的特點(diǎn)，遇到障礙物時(shí)能產(chǎn)生明顯的反射，且在傳播過程中對人體的視覺和聲覺不產(chǎn)生干擾. 基于此特性，可將超聲波作為無接觸測距和測速系統(tǒng)的信號(hào)載體.

由單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的方波脈沖串，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)陶瓷換能器發(fā)出超聲波，以聲速u在空氣中定向傳播. 當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)，在其表面將有部分能量被反射回超聲接收器. 若此往返過程中超聲波耗時(shí)Δt，則波源與被測物間距離s為

(1)

超聲波作為縱波，其波速u易受環(huán)境溫度影響[9],在干燥空氣中有

u=331.3+0.606θ,

(2)

式中，θ為攝氏溫標(biāo). 15 ℃時(shí)，聲速約340.4 m/s.

若被測物與波源位置發(fā)生相對移動(dòng)，在時(shí)間間隔ΔT內(nèi)先后2次測量出不同時(shí)刻波源與障礙物之間的間距s1和s2，則波源與被測物間的相對位置移動(dòng)速率v為

(3)

基于上述分析，測試中若能測量出超聲波在空氣中的傳播速度u、往返障礙物的回波時(shí)間間隔Δt及2個(gè)不同時(shí)刻的時(shí)間間隔ΔT，就可完成測距和測速.

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)誤差分析

根據(jù)前述測距測速原理分析，傳播速度u、回波時(shí)間Δt及不同時(shí)刻的時(shí)間間隔ΔT是影響測距和測速的關(guān)鍵因素. 為提高測量的準(zhǔn)確性，對測量系統(tǒng)誤差來源作如下分析，通過策略優(yōu)化以期提高系統(tǒng)的測量精度.

2.1.1 測定回波時(shí)間Δt的影響因素及減小誤差的方法

為提高電路的抗干擾性和測量的可靠性,測量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中常采用發(fā)射固定頻率的多個(gè)超聲波脈沖串作為信號(hào)載體. 在定向發(fā)射超聲波信號(hào)后，在實(shí)際傳播過程中常由于受到空氣中的粉塵、水汽、反射物間距及反射截面的大小、形貌等因素影響,其回波信號(hào)強(qiáng)度在不同條件下有明顯的強(qiáng)弱變化[10]. 若接收電路的信號(hào)觸發(fā)比較器的電壓閾值為定值,第1個(gè)回波信號(hào)常不能過零觸發(fā)(回波信號(hào)波形如圖1所示). 回波信號(hào)經(jīng)檢波后，其包絡(luò)線的上升沿具有按指數(shù)規(guī)律上升的特征[8-10],信號(hào)峰強(qiáng)大約在第4個(gè)波峰可達(dá)極大值,而在第3個(gè)波峰時(shí)可達(dá)極值的75%，故實(shí)際應(yīng)用中常設(shè)第2個(gè)回波作為系統(tǒng)計(jì)時(shí)停止的觸發(fā)信號(hào). 但這樣一來，所測時(shí)間將比實(shí)際用時(shí)多出2個(gè)脈沖周期,造成回波時(shí)間偏大. 為提高系統(tǒng)測量精度,如何精準(zhǔn)確定第1個(gè)回波脈沖沿的到達(dá)時(shí)間將是問題解決的關(guān)鍵.

圖1 超聲波接收器的回波信號(hào)波形變化示意圖

由于超聲波在空氣中傳播時(shí)存在介質(zhì)吸收衰減和發(fā)散性能量損失,聲強(qiáng)與傳播距離呈指數(shù)衰減,造成在量程范圍內(nèi)不同間距的被測物體回波振幅相差甚大,若用固定閾值的單比較器檢測則可能導(dǎo)致觸發(fā)時(shí)刻隨信號(hào)強(qiáng)弱產(chǎn)生漂移,導(dǎo)致計(jì)時(shí)不準(zhǔn). 為解決此問題，擬采用以四運(yùn)放芯片TL074為核心構(gòu)建回波信號(hào)放大、整形的雙閾值比較電路，可精準(zhǔn)確定第1個(gè)回波脈沖沿的位置. 如圖1所示,設(shè)V1和V2分別為雙閾值比較器的2個(gè)門限電壓(V2>V1，且由實(shí)驗(yàn)值設(shè)定)，Vm為峰值電壓. 當(dāng)超聲波發(fā)射頭開始工作時(shí),單片機(jī)內(nèi)置的2個(gè)定時(shí)器T1和T0同時(shí)開始計(jì)時(shí),回波信號(hào)觸發(fā)比較器1翻轉(zhuǎn)時(shí),T0停止計(jì)時(shí),得T0計(jì)時(shí)t1；當(dāng)比較器2翻轉(zhuǎn)時(shí),T1將停止計(jì)時(shí),得T1的計(jì)時(shí)t2. 顯然t2>t1,設(shè)t是第1個(gè)回波前沿所對應(yīng)的傳播時(shí)間, 則有

(4)

有

(5)

顯然，使用雙比較器所獲得的計(jì)時(shí)t作為回波測量時(shí)間將比t2或t1精確度要高.

2.1.2 超聲波發(fā)射器發(fā)散角的影響

由于換能器振子呈面形結(jié)構(gòu)[圖2(a)]，及超聲波自身具有波動(dòng)特性，使得超聲波在實(shí)際傳播中并不呈線狀，而是呈如圖2(b)所示的錐面.

(a)實(shí)物圖

(b)超聲波錐形發(fā)散角示意圖 圖2 超聲波傳感器實(shí)物與發(fā)散角示意圖

若波陣面前方的反射物A和B處于與波源T等距的位置，但回波到接收頭R處時(shí)其距離將有所不同，導(dǎo)致產(chǎn)生測量偏差. 要想提高測量精度，可采用減少發(fā)散角和提高發(fā)射頻率、提高反射面平整度等方法. 圖2(a)中超聲波傳感器的外圓筒有減少發(fā)散角的功效，而選用40 kHz的脈沖頻率較20 kHz的脈沖有更佳的線性傳播特性.

2.1.3 測量環(huán)境對測量精度的影響

超聲波在空氣中傳播需借助空氣介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞，但溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有較大的影響. 如0 ℃時(shí)，超聲波在空氣中的傳播速度為313.3 m/s，而到35 ℃時(shí)則變?yōu)?34.5 m/s，其改變量達(dá)6.7%，故需通過式(2)進(jìn)行波速溫度補(bǔ)償修正.

2.1.4 盲區(qū)的影響

系統(tǒng)測速時(shí),為避免發(fā)射端的脈沖串對鄰近的接收端產(chǎn)生串?dāng)_，接收端須等待信號(hào)發(fā)送完畢才能啟動(dòng)接收. 另外，超聲波換能器的晶振有一定慣性,即外加脈沖電場結(jié)束后晶振并不能立即停止，而是有“受迫振動(dòng)—平衡振動(dòng)—阻尼振動(dòng)—振動(dòng)消失”的過程. 過程中，發(fā)射端在脈沖電場消失后仍然可產(chǎn)生若干疊加在回波信號(hào)上的余振信號(hào),使得接收電路鑒別不出真正的回波信號(hào),干擾了系統(tǒng)對第1個(gè)回波信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉. 因此，回波信號(hào)的捕捉需在余振徹底消失以后才能啟動(dòng). 基于上述原因，換能器的晶振特點(diǎn)限制了超聲波傳感器的測量范圍,即存在測量盲區(qū)[5]. 在技術(shù)上可通過減小脈沖寬度來減少盲區(qū)的出現(xiàn)，但另一方面卻限制了測量距離的范圍，如何平衡兩者之間的關(guān)系是設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問題.

2.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

超聲波測距測速系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)如圖3所示. 系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)主體，輔以鍵盤輸入模塊、超聲波發(fā)射/接收模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊和溫度檢測電路等部分組成.

圖3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 AT89C52處理器及系統(tǒng)接口電路

AT89C52是由Atmel 公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS 8位微處理器，擁有8K可編程Flash 存儲(chǔ)器，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線和3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等組件，可滿足實(shí)驗(yàn)所需各項(xiàng)資源.

2.2.2 超聲波接收與發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)

超聲波的發(fā)射/接收模塊以臺(tái)灣義隆電子生產(chǎn)的EM78單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的處理與動(dòng)作控制；以ST202芯片及外圍電路組成超聲波電平驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路；以四運(yùn)放芯片TL074及外圍電路組成前置放大與雙比較器整形電路. 該部分電路原理如圖4所示.

電路的工作時(shí)序波形如圖5所示. 由單片機(jī)的定時(shí)器發(fā)送控制信號(hào)TRIG，且每隔周期T′就產(chǎn)生一持續(xù)時(shí)間為T′的40 kHz方波串脈沖，經(jīng)ST202芯片及外圍電路進(jìn)行電平變換后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射. 考慮到回波時(shí)長限制，T′的大小設(shè)置與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的最大測量距離有關(guān). 如測量距離設(shè)為5 m，聲速按常溫時(shí)346.5 m/s計(jì)算，則T′至少為28.9 ms，再考慮盲區(qū)等因素，系統(tǒng)設(shè)置T′常在50 ms以上. 回波時(shí)長以TRIG發(fā)出控制脈沖時(shí)開始計(jì)時(shí)，由定時(shí)器對系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)；一旦回波ECHO產(chǎn)生下降沿跳變，定時(shí)器T1則停止計(jì)數(shù). 根據(jù)計(jì)數(shù)值，算出T的大小，即為超聲波發(fā)送到接收的時(shí)間差.

2.2.3 溫度測量與整體電路的設(shè)計(jì)

將溫度傳感器DS18B20實(shí)時(shí)檢測到的空氣溫度，代入式(2)，經(jīng)單片機(jī)AT89C52數(shù)據(jù)處理后即可得到波源與被測物的間距s1，完成測距；若連續(xù)測量2次相鄰時(shí)刻波源與障礙物之間的間距，并將間距的變化值Δs與時(shí)間間隔ΔT代入(3)式即可獲得相應(yīng)的速度值.

系統(tǒng)整體電路圖如圖6所示，主要由AT89C52微處理器、1602LCD液晶顯示模塊及HC-SR04超聲波發(fā)射/接收模塊等構(gòu)成，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn).

在系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)上，采用前臺(tái)和后臺(tái)程序相結(jié)合的方式. 其中，前臺(tái)程序負(fù)責(zé)發(fā)送TRIG信號(hào)和2次相鄰測距信號(hào)的時(shí)間差ΔT的計(jì)算. 后臺(tái)程序則負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化控制、回波信號(hào)檢測，及時(shí)間差、速度和距離等的計(jì)算與顯示，其控制流程圖如圖7所示.

圖4 超聲波發(fā)射與接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖

圖5 超聲波測距工作時(shí)序波形圖

圖6 系統(tǒng)整體電路原理圖

圖7 超聲測距測速系統(tǒng)處理流程示意圖

3 超聲波測距與測試裝置的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)物制作，所得實(shí)物裝置如圖8所示. 對系統(tǒng)進(jìn)行3次測距測試，數(shù)據(jù)取平均值列入表1中. 其中，當(dāng)障礙物與波源的距離達(dá)到5 m時(shí)數(shù)據(jù)測量出現(xiàn)不穩(wěn)定，在該點(diǎn)的3次測量中2次失敗. 而在0.02～4.5 m的測量范圍內(nèi)，各測量值與真實(shí)值之間的誤差都在5%以內(nèi)，表明該系統(tǒng)具有較高的測距準(zhǔn)確性，能滿足預(yù)警裝置的測試精度要求，可將該功能單列作為測距儀使用，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用. 若將相鄰2次測距數(shù)據(jù)及采集的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，可獲得波源與障礙物之間的相對速度， 將數(shù)據(jù)與單片機(jī)內(nèi)的預(yù)置數(shù)值進(jìn)行閾值比較，可實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警功能(實(shí)物設(shè)計(jì)中使用語音提示模塊發(fā)出預(yù)警信號(hào))，提醒駕駛員注意行車安全，可在一定程度上降低安全事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn).

(a)測距實(shí)驗(yàn)

(b)測距測速實(shí)驗(yàn)圖8 超聲波測距測速系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié)束語

以AT89C52處理器為控制核心，完成了超聲波測距測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作. 該系統(tǒng)引入了溫度補(bǔ)償模塊和優(yōu)化設(shè)計(jì)了第1個(gè)回波信號(hào)檢測程序，可在簡單的硬件模塊下實(shí)現(xiàn)較高精度的測距測速功能，并通過內(nèi)置閾值的方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)動(dòng)車輛安全預(yù)警功能，具有經(jīng)濟(jì)和一機(jī)多用的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于測距、測速、行車安全預(yù)警等多個(gè)領(lǐng)域.