高精度超聲波測距系統(tǒng)設計

　　1、引言
　　
　　超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而用于距離測量。利用超聲波檢測往往較迅速、方便、計算簡單、易于實時控制，且測量精度能達到工業(yè)實用要求，因此在移動機器人的研制中得到廣泛應用。移動機器人要在未知和不確定環(huán)境下運行，必須具備自動導航和避障功能。超聲波傳感器以其信息處理簡單、速度快和價格低的特點廣泛用作移動機器人的測距傳感器，實現(xiàn)避障、定位、環(huán)境建模和導航等功能。
　　
　　2、系統(tǒng)總體設計方案
　　
　　2．1超聲波測距原理
　　
　　2．1．1超聲波發(fā)生器
　　
　　超聲波為直線傳播方式，頻率高，反射能力強。空氣中其傳播速度為340m／s，容易控制，受環(huán)境影響小。因此采用超生波傳感器作為距離探測的“眼睛”，可用于測距領域的超聲波頻率為20～400kHz的頻段，空氣介質中常用為40kHz。
　　
　　2．1．2壓電式超聲波發(fā)生器原理
　　
　　壓電式超聲波發(fā)生器實際上利用壓電晶體的諧振工作。超聲波發(fā)生器內部結構有2個壓電晶片和1個共振板。當它的兩電極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電品片振動，將機械能轉換為電信號，這時就成為超聲波接收器。
　　
　　2．1．3超聲波測距原理
　　
　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物就立即返回。超聲波接收器收到反射波立即停止計時，超聲波在空氣中的傳播速度為340m／s。系統(tǒng)中，超聲波測距采用檢測超聲波往返時間的方法。由于時間長度與聲音通過的距離成正比，當超聲波發(fā)射極發(fā)出一個短暫的脈沖波時，計時開始；當超聲波接收端接收到第1個返回波脈沖后，計時立即停止。根據(jù)計時器記錄的時間t，可計算發(fā)射點距障礙物的距離（s），即：s=340t／2。這就是所謂的時間差測距法。
　　
　　2．2系統(tǒng)總體設計
　　
　　該系統(tǒng)采用μC／OS-lI操作系統(tǒng)，系統(tǒng)將軟件劃分為4個功能模塊：回波A/D采集模塊，LED顯示和按鍵處理模塊，LCD顯示模塊，報警、存儲及串口處理模塊。其中，回波A/D采集模塊用于采樣，保存實時數(shù)據(jù)；LED顯示和按鍵處理模塊用于處理采樣數(shù)據(jù)，并將其轉換成有實際意義的參數(shù)：LCD顯示模塊是將各種參數(shù)在LED顯示；而報警、存儲及串口處理模塊主要是實時處理相應數(shù)據(jù)。圖1為系統(tǒng)設計總體框圖。　　
　　3、系統(tǒng)硬件設計
　　
　　3．1LPC2138微控制器簡介
　　
　　LPC2138內嵌512KB的高速Flash存儲器和32KB的RAM，具有豐富的外設資源：2個32位定時器（帶捕獲、比較通道），2個10位8路A／D轉換器，1個10位D／A轉換器，PWM通道，47路GPIO，9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷，具有獨立電源和時鐘的RTC，多個串行接口（UART、I2C、SPI、SSP）。它內含向量中斷控制器，可配置中斷優(yōu)先級和向量地址．片內Boot裝載程序可實現(xiàn)在系統(tǒng)應用編程（ISP／IAP），通過片內PLL可實現(xiàn)60MHz的CPU操作頻率，具有空閑和掉電2種低功耗模式，并可通過外部中斷喚醒，圖2為LPC2138的整體結構圖。　　
　　3．2超聲波發(fā)射電路
　　
　　超聲波發(fā)射電路是南超聲波發(fā)射器T和PWM產(chǎn)生的40kHz頻率信號、驅動（或激勵）電路等組成。該系統(tǒng)設計采用ARM中的PWM模塊產(chǎn)生高精度的40kHz的頻率信號，然后通過南74HC00等組成的驅動電路，zui后將發(fā)射信號送到超聲波發(fā)射器T。對于放射探頭T，選用發(fā)射頻率為40kHz的一種，該類型現(xiàn)在應用較普遍，電路也簡單，只需給發(fā)射端40kHz的脈沖，發(fā)射探頭即不斷發(fā)送超聲波。具體硬件電路如圖3所示。　　
　　其中超聲波發(fā)射和接收采用φ15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），其中心頻率為40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4~8cm。
　　
　　若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗*力。根據(jù)不同測量范圍要求，可適當調整與接收換能器并聯(lián)的濾波電容器C4，以獲得合適的接收靈敏度和抗*力。
　　
　　3．3超聲波接收電路
　　
　　超聲波接收電路由以MC3403為核心的三級濾波放大電路和二極管的倍壓穩(wěn)流電路等組成。處理好的回波信號被送到ARM的A／D轉換模塊進行A／D采樣，從而觸發(fā)得到返回的時間。德州儀器公司的MC3403的具體引腳配置如圖4所示。超聲波接收電路如圖5所示。　　
　　4、測量結果
　　
　　該系統(tǒng)經(jīng)過反復調試后進行測試，測量范圍為0．1~4．5m，測量精度為1cm,測量誤差保持在4cm以下，因此系統(tǒng)性能比較良好。其測試數(shù)據(jù)如表1所示。　　
　　5、結束語
　　
　　基于ARM和μC／OS—II的超聲波測距系統(tǒng)利用LCD顯示，電路簡單，顯示界面友好，通訊能力強，可擴展性好，具有良好的實際應用價值。該系統(tǒng)可運用于機器人智能行走和導航，在汽車電子行業(yè)也有一定的應用領域．可配合其他模塊實現(xiàn)多功能測量,同時在顯示輸入上可擴展觸摸屏功能。