一種基于單片機設計的高精度超聲波測距系統的改進

式中，T為環境攝氏溫度℃。

為了提高系統的測量精度，本文設計了溫度補償電路。系統采用數字溫度計DS1820采集溫度。DS1820是美國DALAS公司推出的單線串行數字溫度計，可直接與單片機連接，并且接線形式簡單[4]，測量范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內測量精度為0.5℃。傳感器輸出的是用9位二進制編碼表示的溫度值。根據實際溫度的值，利用公式（3）可計算補償聲速。

3.4 絕對值變換和包絡電路

本系統的絕對值變換和包絡電路原理圖如圖4所示。

絕對值變換電路中，當輸入信號Vin為負時，D7導通，U13B為倒相放大器；Vin為正時，D8導通，U13A為非倒相放大器。無論輸入信號的電壓極性如何，其輸出總是正電壓，且幅值不變[5]。如前所述，回波信號經過絕對值變換電路以后，負電壓被翻轉為正電壓，且頻率倍增，然后通過二極管D9、電容C56組成的檢波電路對新波形進行包絡。根據超聲波回波起伏特性，頻率倍增后包絡曲線更加平滑。在本電路中，檢波電路中的電容值要匹配合適，絕對值變換電路中集成運算放大器選用TL082。波形包絡原理如圖5所示。


3.5 微分電路和過零檢測

回波包絡信號通過微分電路，電壓峰值點處取導數為零，過零檢測電路在信號的過零點時刻發送脈沖信號給單片機外部中斷INT0，單片機停止計時，從而捕捉到回波信號到達時刻。包絡信號微分和過零檢測原理如圖6所示。


4 系統軟件設計

本測距系統軟件包括主程序、溫度采集子程序、發射子程序、計算子程序、數碼顯示子程序、外部中斷子程序和定時器中斷子程序。主程序完成初始化后調用發射子程序，由P1.0口發射1個脈沖，驅動超聲波傳感器發射超聲波，并關外部中斷，計數器T0、T1同時開始計時；為防止虛假回波的干擾，在延時一段時間后，開中斷，此時判斷計數器T1有否溢出中斷，單片機根據不同的時間，以查表的方式設置自動增益控制電路的增益；當有外部中斷信號時，單片機就停止T0的計時，計算出渡越時間t并存儲到E2PROM中；然后調用測溫子程序，采集超聲波測距時的環境溫度，并換算出準確的聲速c，存儲到E2PROM中；單片機再調用計算子程序，計算出傳感器到目標物體之間的距離，最后把測量結果存儲并通過數碼管電路顯示出來，完成一次測量。主程序流程如圖7。

本超聲波測距系統采用新的設計方法，并在實驗室環境中進行測量，測量精度較高。由于采用收發一體式的測距電路，換能器振子必須在余震消除后才能進行接收，因此該測距系統有很大的盲區。因為電路的延遲及包絡峰值點后移，導致測量計時有所增大，進而導致測量數據的偏大。本系統采用前置放大器、AGC電路、過零檢測等電路對接收信號進行處理，取得了良好的效果。在近距離測量范圍內，這種方法可以達到厘米級。