收发一体超声波测距.doc

------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————收发一体超声波测距 2008 年 01月 25日星期五下午 04:14 在现代工业生产过程中, 利用超声波进行近距离非接触式测量越来越广泛, 例如液位的测量、煤层的测厚、机器人定位、辅助视觉系统、车辆的定位与导航、汽车防撞雷达、井深及管道长度测量等方面。根据超声波纵向分辨力高、对色彩和光照度不敏感、抗电磁干扰能力强等特点, 可以设计出精度较高的超声波测距系统, 应用于漫反射差和有毒等恶劣环境中。但传统的超声波测距仪由于采用固定阈值的比较器比较输出, 测量精度普遍较低。本文从回波信号处理的角度出发, 分析了超声波回波曲线的特性, 利用回波包络的峰值检测以确定回波到达时刻的方法, 并介绍一种以 89C52 单片机为核心、具有自动增益控制和峰值包络检测、高精度的收发一体式超声波测距系统的硬件电路和软件设计。 1 回波信号包络研究传统的利用固定电平判断回波到达时刻的超声波测距方法存在较大误差。针对这种误差提出的可变阈值的超声波测距方法, 由于干扰信号的存在, 超声波测距主芯片会产生误判回波时刻的到来, 从而导致测量数据不准确。超声传感器通过压电晶片的逆效应——电致伸缩, 在空气介质中产生超声波。测距所用超声波一般都是以间断的高压单脉冲发射,每测距一次,需要发射、接收一次。所以在测距脉冲的发射过程中,传------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————感器晶片经历了起震、加强和衰减三种状态, 并产生多个谐振周期的超声波; 接收过程中, 传感器晶片在多个谐振周期的超声脉冲作用下, 通过压电效应在晶片两端产生起伏电压。厦门大学的童峰等研究了单脉冲发射时超声回波的起伏特性, 并根据声的发射、反射理论及应用力——声类比, 推导出了理想条件下的测距回波包络曲线方程。在此理论基础上, 通过大量实验, 每次发射 1 个脉冲宽度为时间 T 的脉冲, 来验证这种超声波回波起伏特性。图1 为通过放大、带通滤波、 AG C 电路以后,用 Tektronix 数字存储示波器存储得到的回波波形。可以验证: 超声回波在脉宽时间 T处, 电压峰值达到最大, 和童峰的理论分析基本吻合, 这也为本文应用在判断回波到达时刻的处理方法提供了理论和事实依据。根据上述对超声回波波形特性的分析, 本文提出了一种确定回波到达时刻的思路: 在接收电路中加入精密的绝对值转换电路, 把回波信号的负电压翻转为正电压, 然后通过检波电路, 对波形进行包络, 接着输入到微分电路, 求出包络曲线的峰值点, 再通过过零检测电路, 向单片机发出外部中断信号, 停止计数器计时。单片机在发射完 1 个脉冲后, 启动内部计数器计时到外部中断触发计数器停止计时,这段时间即为超声波脉冲的渡越时间 t。 2 超声波测距原理及系统组成超声波测距是借助于超声