基于MAXQ7667的超声波测距系统应用研究
1.引言 2.超声测距系统及其原理
超声波测距系统是由发射电路、接收电路、超声波换能器以及MAXQ7667主控芯片构成，如图1。其中，用于发送和接收的超声波的元件称为超声波换能器。在发射状态下，超声波换能器将发射电路输出的脉冲信号转换成与其频率相等的超声波；在接收状态下，超声波换能器将接收的声波转换成与其频率相等的电信号。 由于超声波在均匀的介质中传播的速度的是一定的，只要计算出超声波从点A到点B的飞行时间t，并且得知超声波此时的速度v，就可以得到A与B的距离s，即： （1） 3.硬件构成 3.1 MAXQ7667单片机 3.2 发射与接收电路 3.3 温度补偿 在空气中，不同温度下声波的声速是不同的，可以表示为以下的关系[3]： （2） 式中T为空气的温度，单位为摄氏度（℃）。 为了提高温度检测的精度，选用DS18B20这款数字温度传感器。由于其独特的单线接口方式[4]，仅需要将DS18B20的DQ于MAXQ7667的P0.7口相连就可以实现双向通信，如图3。其测温范围为-55℃～+125℃，测量结果以9～12位数字量方式串行传送，测量温度分辨率可以达到0.0625℃，能够满足测距系统的要求。 3.4 数据传输显示 4.软件设计 4.1 主程序流程图 图5为测距程序流程图，其中由于当目标很靠近换能器时，存在着死区[7]，因此需要在发送声波之后，设置一个0.2ms的延时程序，避免死区所引起的错误测量。 4.2 关键寄存器的设置 考虑到系统所采用的换能器特性，采取了驱动信号频率为50KHz的脉冲信号，一次发送7个脉冲，系统所选的是16MHz的的晶振。以下是一些关键的初始化设置： PLLF_bit.PLLC = 0;// 16MHz 的晶振 PLLF_bit.PLLF = 256;// 锁相环的分频（涉及到所需脉冲的频率） BTRN_bit.BCKS = 0;// 脉冲源为晶振 BTRN_bit.BCNT = 7;// 一次发送7个脉冲 BTRN_bit.BDIV = 0xb;// 锁相环的分频（涉及到所需脉冲的频率） BTRN_bit.BPOL = 0;// 低电平转高电平时输出脉冲 BPH_bit.BPH = 160;// 设置脉冲的占空比为50% BTRN_bit.BGT = 0;// 通过专用输出口给脉冲 BTRN_bit.BTRI = 0;// 将BURST设定为输出 在检测声波的过程中，需要用到下面的设置： APE_bit.LNAE = 1;//打开低噪声放大器 APE_bit.MDE = 1;//打开ADC APE_bit.PLLE = 1;//打开锁相环，可用于设定脉冲的频率 APE_bit.BGE = 1;//使能带通滤波器 APE_bit.RECHOE = 1;//使能回波路径寄存器，用于保存输出值 5.实验数据及分析 虽然在实际的测量中，接收到的声波并没有经过放大，但为了便于观察，在靠近换能器的位置增加了两级放大和一个带通滤波器，总共放大50倍来观察接收到的声波波形，如图5～7。 从图5和图6中可以看到，当距离目标较近的时候，回波的信号在经过放大后，电压峰峰值最高是有数百毫伏的。而距离较远时，如图7为6米处经过放大后的回波波形峰峰值只有120mV左右，可以计算出，放大前的回波峰峰值只有1-3mV，信号较为微弱，并且会随着距离的增加而使得幅值衰减[5，6]。而在实际运用中，由于MAXQ7667内部有放大电路和带通滤波器，因此不需要外部再增加放大电路，简单方便了许多，进而降低了成本。实物图如图8所示。 在修正系统的误差之前，测试环境在30℃下，得到表1的数据，得出其误差曲线如图9。 其线性趋近线为： （3） 式中s为被测目标与换能器的距离，为需要修正的误差值，单位都是mm。 经过修正后，分别在28℃和20℃下测量到的数据分别如表2和表3。从表2和表3可以看出，测距系统的误差进一步减小，距离在0.5m内时，绝对误差在2mm内。但由于温度的检测仍然存在一定的误差，使得在28℃下，系统的误差是往负方向偏离，而在20℃，系统的误差是往正方向偏离，要解决这一问题，需要提高温度检测的精度，或者在多个不同的温度下进行修正，使得由温度引起的误差进一步减小。 6.结论 实验表明，该超声测距系统的量程在8米内的误差小于1cm，误差精度小于0.5%。目前，该研究已得到初步应用，其性能稳定可靠，为提高室内定位的精度提供了一个可行并且成本较低的测距方案。 参考文献 [2]潘仲明,简盈,王跃科.大作用距离超声波传感技术研究[J].传感技术学报,2006,19 [3]买买提热夏提·买买提,亚森江·吾普尔,复尔开提·夏尔丁.浅谈空气中的声速与温度关系[J].物理实验,2007,27(11):42-47. [4]王寅观.超声波液体浓度计[J].化工自动化及仪表,1987,16(4):16. [5]祝琴.扩频技术在超声测距系统中的应用[D].湖南:国防科技大学,2006. [6]时玮,孟军,刘波.温度修正的超声波测距控制技术[J].机械工程与自动化,2005(6): 85-87. [7]潘宗预,潘登.超声波测距精度的探讨[J].湖南大学学报:自然科学版,2002,29(3):18-31.