摘 要： 以AT89S52單片機為主控制器完成一種較高精度超聲波測距器的設計。對系統存在的測量誤差進行詳細分析并給出提高精度的可行性方案。
關鍵詞： 超聲波；發射；接收；溫度補償
現代工業正向著智能化、自動化的方向發展，測距技術作為工業生產的重要組成部分對穩定度和精度的要求也日益嚴格。傳統測量手段由于受環境、工具和人為因素影響，已經不能滿足現代工業測量的要求。超聲波測距作為一種非接觸式的測距方式，以其抗干擾能力強[1-2]、測量范圍廣、易于控制、測量精度高等優點，已經在工業測量領域得到廣泛應用。本系統設計應用于石油泥漿液位測量，設計測量范圍為50 cm~600 cm，設計測量精度為厘米級，特點在于系統采用溫度補償對測量數據進行修正，確保準確性。
1 工作原理及系統設計
1.1 超聲波測距原理
超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板和電極等部分構成。兩電極間加上一定的電壓時壓電晶片就會被壓縮產生機械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復原狀。若在兩極間按照一定的頻率加上電壓，則壓電晶片也會保持一定的頻率振動。經試驗測得此型號壓電晶片的固有頻率為38.4 kHz，則在兩極外加頻率為40 kHz的方波脈沖信號，此時壓電晶片產生共振，向外發射出超聲波。同理，沒有外加脈沖信號的超聲波傳感器在共振板接收到超聲波時也會產生共振，在兩極間產生電信號[3]。
1.2 系統原理設計
本系統硬件主要由超聲波發射、超聲波接收及放大、單片機控制與液晶顯示、溫度采集和補償等部分組成，如圖1所示。當按下復位鍵啟動系統工作時，單片機向傳感器發射頭送出若干40 kHz的方波脈沖，同時啟動定時器對超聲波傳播時間進行計時。當接收頭收到反射回的超聲波(在有效測距范圍內)并經放大濾波傳入單片機時，定時器停止計時。查表得到測距溫度下的聲速，按式(1)計算出測量距離，送液晶顯示。
s=Ct/2 (1)
式中s為測量距離，C為超聲波傳播速度，t為傳播時間。
2 系統電路設計
2.1 超聲波發射電路
由于系統工作環境比較惡劣，為保證測距的范圍和精度，需要保證傳感器發射頭的外加壓差足夠大。因此采用轉換范圍較大、工作穩定的16位CMOS轉換器CD4049組成超聲波發射電路的主體(CD4049最大轉換電壓與探頭最大驅動電壓同為20 V)。超聲波發射電路如圖2所示[4]。
考慮到發射頭一般需要5個方波周期達到穩定震蕩狀態的95%，經1.5倍上升時間達穩定震蕩狀態的99%[5]。為保證最大程度的觸發，單片機每組產生12個帶寬為12 μs的方波經調理電路傳到發射頭。
2.2 超聲波接收放大電路
超聲波在空氣中傳播的衰減程度隨傳播距離的增加而增大，所以反射回來被接收頭收到的信號非常微弱，不能直接送入后級電路處理，首先要經過信號放大。超聲波接收放大電路如圖3所示[6]。
被接收頭收到的回波信號為正弦波信號，信號強度一般只有幾十毫伏。接收部分前置放大電路是由集成運放NE5532組成的自舉式同向交流放大電路。前兩級放大電路構成10 000倍的放大器，對正弦波信號進行足夠放大。后級采用集成LM311-8比較器對前級放大信號進行調理，通過IN-引腳引入一個標準電平，輸入包絡信號的電位高于標準電平則為1，低于標準電平則為0，將包絡信號轉變為單片機可識別的中斷脈沖信號。當與單片機的中斷輸入端相連的LM311的第7管腳輸出一個低電平時，計數器立即停止計時并保存數據。
2.3 單片機控制和顯示電路
本系統的主控模塊是AT89S52單片機。該控制器具有8 KB的RAM內存空間，在線編程與調試比較方便。單片機控制單元主要包括復位電路、液晶顯示電路、發射控制端、回波接收端幾部分。由于測量距離需要直觀顯示，且系統安裝于戶外功耗要盡可能低、體積盡可能小，因此采用易于與CMOS電路相匹配的128×64點陣式液晶顯示模塊。接口電路如圖4。
3 軟件設計及流程
3.1 軟件整體流程
系統軟件主要由主程序、初始化程序、發射子程序、中斷子程序、顯示子程序組成。軟件整體流程如圖5。
系統上電后首先初始化，設置定時器、計數器工作方式，打開總中斷，顯示端口清零等。為避免從發射頭發出的超聲波直接被接收頭作為回波接收，在調用定時器中斷子程序(發射方波)后設置0.2 ms的延時，然后打開外部中斷0接收回波[7]。系統采用晶振頻率為12 MHz，機器周期為1 μs，主程序檢測到回波接收成功后將計數器T0中的值T0按下式計算即可得測量距離(設20 ℃時聲速為340 m/s)[8]：
s=(CT0)/2=170T0/100 000 (2)
最后將所得數值以二進制數形式通過P0口直接傳入液晶顯示。
3.2 發射和中斷子程序
超聲波發射子程序的作用是通過P1.2口在定時器的設定時刻取反交替產生寬度為12 μs的高低電平輸出方波脈沖。定時器中斷程序[9]流程如圖6。外部中斷程序流程如圖7。
4 誤差分析及系統精度提高
在系統測試過程中發現對系統性能和測量精度影響較大的主要有測量盲區、回波時間的確定、控制器定時器偏差、溫度對速度的影響等幾方面。
4.1 測量盲區
造成測量盲區存在主要有兩方面因素：超聲波發射頭在發射出一串方波信號后經過一段延時才打開外部中斷入口，防止方波信號直接進入接收頭作為回波引起中斷，產生誤測量，延時對應的距離即為盲區；另一方面，在測量較近距離時，回波信號會與發射余波重疊造成尋峰失敗，同樣產生測量盲區。
對于第一種測量盲區，經試驗證明，在可承受范圍內減小脈沖寬度、減少脈沖發射個數，從而間接減小了延時時間，擴大測量范圍。但同時會由于脈沖個數的減少對測量上限造成影響。對第二種測量盲區，主要做法是在回波接收電路中加入余振吸收電路，改變接收放大倍數，適當延時，并利用部分未飽和余波等方式共同減小盲區[10]。
4.2 回波時間的確定
發射的方波信號由于強度所限，在經過傳播和反射后，回波信號強度有所衰減，出現包絡現象，但其頻率與發射波相同，沒有變化。單片機確定接收到回波的時刻實際是一個高低電平的變化時刻，與回波頻率無關。而包絡信號不是優質的電平信號，直接輸入單片機會造成較大誤差。解決方案是接收電路中加入一個電平比較器，其輸出頻率也為40 kHz，輸出標準方波電平信號作為比對，在接收電路的放大器輸入(接收到)高于0.4 V的電平信號時，通過比較器的輸出電壓變為標準的+5 V電平輸入單片機，此時刻即為回波接收時刻[11]。
4.3 溫度補償
在常溫常壓下聲速可以認為是定值，但液位監測的工作環境溫度變化較大。聲速與溫度的關系為[12-13]：
v=311.5+0.607t (3)
溫度變化范圍為-20℃~+40℃，則聲速會產生36 m/s的巨大變化，必須設置溫度對聲速的補償。
離線條件下計算出不同溫度下的聲速值并放存儲器存儲，18B20測得現場溫度傳入單片機后，查找對應溫度的聲速并以此作為校正值進行距離的計算?？諝庵新曀俦磉_式可寫為：
由此可見經過溫度補償后的精度達到厘米級，可以較好地達到測量要求。測量溫度為11.2℃時的實驗數據如表1。由表1可以看出測量上限為600 cm，下限為50 cm，有效測距范圍內測量誤差小于±2 cm。
通過大量實現數據表明，本系統測量誤差小于±2 cm，滿足設計要求，并且符合工業標準?；诔暡ㄊ芊蹓m、震動及電磁波等惡劣工業因素影響極小的特點，本系統還可廣泛用于工業測距、汽車行駛、金屬探傷等領域，具有較好的應用前景。
參考文獻
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