葛建新，胡燕清

(河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電子與信息工程學(xué)院,517000)

關(guān)鍵字：超聲波；測(cè)距；IAP15W4K58S4；壓電效應(yīng)

0 引言

超聲波是一種頻率高于20KHz的機(jī)械波，它具有指向性強(qiáng)、反射能力強(qiáng)、能量消耗緩慢和在介質(zhì)中傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，非常適于距離、位移、速度的測(cè)量，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。IAP15W4K58S4是一款高速、高可靠、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)的在應(yīng)用可編程單片機(jī)，本文采用IAP15W4K58S4，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易、便攜、低成本的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、精確的距離測(cè)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括了主控制器IAP15W4K58S4單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波發(fā)射探頭、超聲波接收電路、超聲波接收探頭、電源電路、LCD顯示電路和DS18B20溫度采集電路等。超聲波收發(fā)探頭均采用壓電式超聲波傳感器，其壓電晶體的固有諧振頻率為40KHz。系統(tǒng)的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)的I/O口啟動(dòng)控制超聲波發(fā)射電路內(nèi)部的555電路輸出40KHz的方波，經(jīng)超聲波發(fā)射電路功率放大，加至超聲波發(fā)射探頭，其利用逆壓電效應(yīng)，將振蕩電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，由此發(fā)射出40KHz的超聲波，單片機(jī)啟動(dòng)發(fā)射超聲波時(shí)刻的同時(shí)，啟動(dòng)其定時(shí)器開始計(jì)時(shí)；超聲波經(jīng)測(cè)量目標(biāo)反射至超聲波接收探頭，其利用正壓電效應(yīng)，將超聲波帶動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸入，經(jīng)超聲波接收電路的前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波、積分整形、比較，最后輸出一下降沿，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT0，即表示超聲波接收到達(dá)。在外部中斷函數(shù)內(nèi)部停止定時(shí)器計(jì)時(shí)，讀出計(jì)數(shù)值，計(jì)算出定時(shí)時(shí)間t（即超聲波從發(fā)射經(jīng)反射到接收的往返時(shí)間），超聲波在介質(zhì)中的傳播速度為v，DS18B20用于采集當(dāng)前介質(zhì)中的溫度T，以此對(duì)v進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，所以，測(cè)量距離D=(定時(shí)時(shí)間t×超聲波傳播速度v)/2。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

這里主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、DS18B20溫度采集電路和LCD顯示電路。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用DIP-40封裝的IAP15W4K58S4單片機(jī)，其可選擇內(nèi)置晶振，這樣則無(wú)需外部晶振電路，其最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路如圖3所示。NE555構(gòu)成方波發(fā)生電路，由其3腳輸出，輸出方波的頻率f取決于R1、R2、RW1和C1，具體表達(dá)式為f=1/[ln2×(R1+2(R2+RW1))×C1]。調(diào)節(jié)電位器RW1，使輸出方波的頻率為40KHz，等于超聲波發(fā)射探頭內(nèi)壓電晶片的固有諧振頻率，以使壓電晶片達(dá)到共振，產(chǎn)生超聲波。超聲波發(fā)射控制端INC（接單片機(jī)控制IO口）輸出低電平0，經(jīng)74HC14反相輸出高電平1，即開啟74HC08與門，以使40KHz的方波通過(guò)，經(jīng)反相驅(qū)動(dòng)器CD4069，一路經(jīng)二級(jí)反相輸出至超聲波發(fā)射探頭的2腳，一路經(jīng)三級(jí)反相輸出至超聲波發(fā)射探頭的1腳，由此超聲波發(fā)射探頭的1腳和2腳形成互為顛倒且已經(jīng)過(guò)電流增大的振蕩信號(hào)，利用壓電式超聲波傳感器的逆壓電效應(yīng)，將振蕩電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓電晶片的機(jī)械振動(dòng)，即發(fā)射出超聲波。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。

圖3 超聲波發(fā)射電路

2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路如圖4所示。由于超聲波40KHz頻率和紅外38KHz頻率接近，超聲波接收電路采用紅外檢波接收專用集成電路CX20106A來(lái)構(gòu)成實(shí)現(xiàn)。超聲波接收探頭將超聲波帶動(dòng)的機(jī)械振動(dòng)，利用壓電式超聲波傳感器的正壓電效應(yīng)，轉(zhuǎn)換為超聲波電信號(hào)由CX20106A的1腳輸入，首先經(jīng)前置放大，2腳接RC串聯(lián)電路接地，用于調(diào)節(jié)前置放大增益，再經(jīng)帶通濾波，把有效的40KHz的超聲波電信號(hào)選通通過(guò)，把其他頻率的干擾信號(hào)濾除，5腳接帶通濾波器中心頻率設(shè)置電阻，帶通濾波器輸出的有效超聲波電信號(hào)，再經(jīng)峰值檢波器，輸出成近似平滑的水平信號(hào)，3腳接檢波器的檢波電容，再經(jīng)積分整形，輸出成傾斜信號(hào)，6腳接積分電容，最后經(jīng)比較器7腳輸出一下降沿信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷處理。

圖4 超聲波接收電路

2.4 DS18B20溫度采集電路和LCD顯示電路

以超聲波在空氣中傳播為例，常溫下超聲波速度v為340m/s，但其易受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中溫度的影響最大，一般溫度每升高1℃，聲速增加約為0.6m/s。因此，為了獲得精確的測(cè)量結(jié)果，必須對(duì)波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。表1為波速與溫度的關(guān)系表，由表1可得到波速與溫度的擬合公式：v=331.5+0.607T，需按此式對(duì)波速進(jìn)行溫度修正。

表1 波速與溫度的關(guān)系表

DS18B20溫度采集電路如圖5所示，DS18B20為單總線集成溫度傳感器，單總線DQ接單片機(jī)IO口，同時(shí)須經(jīng)4.7KΩ上拉電阻接VCC。

圖5 DS18B20溫度采集電路

LCD顯示電路采用LCD12864，如圖6所示，PSB接地表示串行數(shù)據(jù)方式，此時(shí)RS為片選端，R/W為串行數(shù)據(jù)輸入端，EN為串行同步時(shí)鐘端；VO為對(duì)比度調(diào)節(jié)，VEE為L(zhǎng)CD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的完整詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示，左側(cè)為主程序，右側(cè)為外部中斷服務(wù)程序。主程序在循環(huán)查詢單次測(cè)距是否完成或是否超時(shí)的過(guò)程中，若超聲波反射接收到達(dá)，則超聲波接收電路輸出一下降沿，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，由此程序自動(dòng)進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序執(zhí)行，在其內(nèi)停止定時(shí)器計(jì)時(shí)、關(guān)閉超聲波發(fā)射、讀出計(jì)數(shù)值、計(jì)算定時(shí)時(shí)間、計(jì)算測(cè)量距離，最后將測(cè)距完成標(biāo)志位置1，然后中斷返回；若測(cè)量目標(biāo)超出有效范圍，超聲波反射微弱或遲遲沒有反射，則超聲波接收電路必定無(wú)法接收，即無(wú)法觸發(fā)單片機(jī)外部中斷，此情形即認(rèn)定為超時(shí)，測(cè)距值標(biāo)定為最大值。

圖7 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

在測(cè)距數(shù)據(jù)處理方面，我們采用中位值平均濾波法，即連續(xù)采樣N（取N=10）個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)其從小到大排序，去掉最大值和最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。這種濾波算法融合了中位值濾波法和算術(shù)平均濾波法的優(yōu)點(diǎn)，可有效消除偶然出現(xiàn)的脈沖干擾所引起的偏差，對(duì)距離這種變化相對(duì)緩慢的被測(cè)量具有良好的濾波效果。

4 測(cè)試

本文對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了反復(fù)多次的測(cè)試，實(shí)際測(cè)試圖如圖8所示，總體測(cè)試結(jié)果如表2所示。本系統(tǒng)的最大有效測(cè)距范圍約為400cm，當(dāng)測(cè)距范圍為0-80cm時(shí)，測(cè)距的誤差為0.2-0.5cm，最小測(cè)量誤差為0.2cm。

表2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果（單位cm）

圖8 系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試圖

5 結(jié)論

超聲波非常適于距離的測(cè)量，本文采用IAP15W4K58S4單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易、便攜、低成本的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補(bǔ)償和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、精確的距離測(cè)量。