高精度超声波智能测距仪的设计与实现
超声波是频率高于20KHZ的声波，它指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，在使用中不受光线、粉尘、电磁波等因素影响，且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制、避障、车辆的定位与导航、液位测量等领域应用广泛。
1超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。已知超声波在空气中的传播速度为c，根据计时器记录的发射和接收的时间差t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=c·t/2。 2误差分析 根据超声波测距原理s=c·t/2，可知影响测量距离准确性的因素有两个：传播速度c和时间差t。所以尽可能地消除这两个因素的影响就可以提高测量的精度。 超声波传播速度在固体中最快，在气体中最慢。超声波在空气中传输速度和温度有关，温度越高传输速度越快。如果环境温度变化明显，必须考虑温度补偿问题。空气中超声波传输速度和温度关系表示为：c=331.45＋0.607T(m/s) 式中T为环境温度，℃。 常温下超声波传播速度是340m/s,由于反射式测量有两倍的测量路程，则被测距离和测量时间的关系为d=340/2×t，即计时1us对应被测距离为0.17mm。所以采用计时器的计数频率为1MHZ时，对应的测距最小分辨率为0.17mm。这种分辨率已满足绝大多数工业测量的要求。 3系统硬件设计 Www.LWlM.com 图1系统硬件框图 3.1超声波发射电路 图2超声波发射电路图 3.2超声波接收电路 超声波接收电路负责接收超声波信号.并将超声波信号转换成单片机能识别的电信号。超声波换能器在接收到超声波信号时，由于压电效应会在两个接头上产生微弱的电压信号。利用这一性质，设计前置放大电路，带通滤波、自动增益控制电路和整形电路，将模拟信号转变成为数字信号。 超声波接收的回波信号幅值随着被测距离的增大呈指数规律衰减，目标距离越远回波信号幅度越小。以接收回波信号的幅值超过固定阈值的时刻作为计时的停止信号，会导致计时误差随测量距离的增加而增大。因此，设计了自动增益控制电路，电压放大倍数随测量距离的增大而呈指数规律增加，使接收回波信号的幅值基本保持不变，再通过整形电路输出，就可以明显地提高测量精度。本系统设计了通过软、硬件结合的AGC电路，它是由可编程放大器AD620、数字电位器MAX5400结合单片机实现的。 图3自动增益控制（AGC）电路原理图 AD620是一种电阻可编程放大器，内部由三运放组成，具有很高的精度和共模抑制比。增益范围为1～1000，由接在管脚1、8之间的电阻Rg调节。增益公式为： Gain=1+49.4KΩ/Rg，式中Rg单位为KΩ。 MAX5400是一种具有256抽头的数字电位器，端一端电阻阻值为50 KΩ，并带有SPI接口。管脚3、4、5与单片机SPI接口相连，实现增益的调节。事先把通过实验获得的与一定距离对应的较为理想的放大倍数换算成数字电位器的抽头位置，并把这些位置参数固定在程序表中。单片机根据测量距离的远近通过查表获得参数，然后通过SPI接口设置对应增益。 3.3温度补偿电路 4系统软件设计 该系统的程序流程图如图4所示，主要包括：主程序、超声波发射子程序、运算子程序、温度采集子程序、外部中断子程序、定时器中断子程序、LCD显示子程序、报警子程序。 Www.LWlM.com 图4程序流程图 5实验结果 该系统硬件结构简单，软件实现比较容易，测距精度高。采用前置放大器、AGC电路、整形滤波电路对接收信号进行处理，取得良好的效果。实验数据如表1： 表1实验数据及测量误差（mm） 通过上表实验数据表明，在近距离测量范围内，该方法可以达到mm级。这种超声波测距系统是一种理想的非接触检测方式。 6结束语 本系统采用飞思卡尔高速单片机做核心处理器，在超声波发射电路中搭建555定时器多谐振荡器电路产生40KZ的脉冲信号，在超声波接收电路中应用了自动增益电路，使得接收灵敏度大幅提高。考虑到温度对声速的影响设计了温度补偿电路，因此该系统具有很高的测量精度，在200~1000mm范围测距时误差1mm以内。本系统可满足液位探测、机器人定位、工业高精度测距等方面的实际需要。 参考文献: [2]时德钢,刘晔.超声波测距仪的研究[J].计算机测量与控制,2002,10(7):480-482. [3]苏炜,龚壁建.超声波测距误差分析[J].传感器技术,2004,23(6):8-10. [5]梁毓明,徐立鸿.移动机器人多传感器测距系统研究与设计[J].计算机应用,2008(6):340-342.