張國琴

(浙江水利水電?？茖W校，浙江杭州 310018)

0 引言

超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，分為發(fā)送器和接收器，頻率為40 kHz左右.在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波;而在收到波的時候，則將超聲振動轉換成電信號.一般用超聲波傳感器來測距.

1 比較距離方法的提出

要比較AC和BC的大小，見圖1.如果采用超聲波測距方法，測距的原理一般為時間差法，即測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經歷的總時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即:

其中:L—傳感器與障礙物之間的距離;

v—聲波在介質中的傳輸速度.

用以上方法測出，AC和BC長度，然后得出結果.根據(jù)公式(1)可知，測距誤差主要由傳播速度v和傳播時間t的誤差所引起的，如果測量精度要求稍高，就要對最后的結果作修正，例如為了減少溫度對聲速的影響，就要做溫度補償，電路比較復雜，誤差一般是厘米級別的[1］.

本文提出一種新穎的設計，可以利用非常簡單的電路完全避免由于傳播速度和傳播時間所產生的誤差而高精度地比較距離的大小.首先本設計的目的不在于長度本身，而關鍵在于長度的比較.我們在C處裝一超聲波發(fā)射器，在A、B處分別安裝與之匹配的超聲波接受器.問題就可以歸納為是:從同一個超聲波發(fā)射源C發(fā)射信號，兩個超聲波接收源A和B接受信號的先后次序，如果B先接受到信號，則就是表示BC＜AC，所以設計電路的關鍵是檢測兩個接受器接收信號的先后順序.

圖1 長度比較

本文提出一種新穎的設計，可以利用非常簡單的電路完全避免由于傳播速度和傳播時間所產生的誤差而高精度地比較距離的大小.首先本設計的目的不在于長度本身，而關鍵在于長度的比較.我們在C處裝一超聲波發(fā)射器，在A、B處分別安裝與之匹配的超聲波接受器.問題就可以歸納為是:從同一個超聲波發(fā)射源C發(fā)射信號，兩個超聲波接收源A和B接受信號的先后次序，如果B先接受到信號，則就是表示BC＜AC，所以設計電路的關鍵是檢測兩個接受器接收信號的先后順序.

2 電路設計

超聲波發(fā)射電路有軟件和硬件兩種方法，本設計用的是軟件方法，電路可以參考文獻[2］.在超聲波接收電路的考慮時，先考慮了比較通用且方便的紅外遙控接收芯片CX20106這一方案[3］.CX20106接受與其中心頻率相符的信號時，7腳就輸出低電平，考慮通過兩個接收芯片接收低電平的不同來判斷，但是困難是:一、不能判別出接收到第一個波形和第二個相同相位波形的差別;二、經過實際試驗，當BC和AC相差10 mm時，示波器上觀察不出兩個輸出低電平的差異.故終止次方案.

經過下面簡單分析:

超聲波傳感器發(fā)射波40 kHz.即周期:

以聲速為340 m/s計，一個40 kHz的超聲波經過的距離為:

如果要高精度地比較AC和BC的距離，就需要能精確地判斷A、B到達的順序，這里有兩個需要考慮的問題:

(1)電路能判斷兩個接收器接收的是發(fā)射器發(fā)射的第幾個周期的信號，例如，A接收了3個周期的信號，B接收了2個周期的信號，A離發(fā)射器距離自然近了;

(2)A、B接收器接收的波形相差是一個周期之內的，也要能判斷誰先誰后.

以下設計的電路能達到上面這兩個要求，并且精度更高，見圖2.

圖2 信號處理圖

由單片機發(fā)射8個周期以上40 kHz的超聲波，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，所以被接收頭收到的信號比較微弱，不能直接送入后級處理，超聲波接收器A、B接收信號后用相互對稱的電路對信號作放大處理，并且把放大出來的正弦信號轉變?yōu)槊}沖信號A、B，各自作為計數(shù)器A、計數(shù)器B計數(shù)脈沖，計數(shù)器A、B計算著由超聲波接收器接收來的信號周期的個數(shù)，當某個計數(shù)器先記到1 000時(即接受器收到8個超聲波時)，或門輸出由0變?yōu)?，此時計數(shù)器的數(shù)據(jù)就由D觸發(fā)器輸出，單片機通過D觸發(fā)器傳來數(shù)據(jù)的大小來判斷距離的大小.[4］

3 結果分析

根據(jù)以上電路圖，對A、B兩路信號進行分析，見圖3.

圖3 相差一個周期以上波形分析

上圖分析中，連續(xù)發(fā)射9個周期的超聲波，接受器A接收到8個周期的波形時，即計數(shù)器B的第8個上升沿到來時，計數(shù)器B第7個上升沿還沒到，所以此時或門由0變?yōu)?，上升沿到D觸發(fā)器，此時單片機的得到的數(shù)據(jù)是:A路是8，B路是6;可以判斷:發(fā)射器到A接受器近而到B接受器遠，AC＜BC，這是兩者距離超過一個周期以上距離的情況.當兩者的距離不到一個周期時，見圖4.分析結果也是如此.所以從理論上來說，只要A、B有前后之差，此電路就能分辨出先后次序，比較出AC和BC長度的大小.

圖4 相差一個周期以內波形分析

本設計的系統(tǒng)誤差大小是一個或門的延遲時間與觸發(fā)器的建立時間之差.即:

圖5為誤差分析.

圖5 誤差分析圖

C是A信號通過計數(shù)器A出來的最高位信號，D是B信號通過計數(shù)器B出來的最高位信號，E是或門出來的信號.Δt1是或門的輸出延時，Δt2是D觸發(fā)器的建立時間，如果D在Δt時間內從低電平變成高電平，那么由兩個D觸發(fā)器所輸出的數(shù)據(jù)是相同的，不能分辨誰先誰后，超出這個時間就可以[5］.所以要減少系統(tǒng)誤差的辦法是盡量縮小Δt.

誤差大小是一個或門的延遲時間與D觸發(fā)器的建立時間差內超聲波經過的距離.所用或門芯片為Hitachi HD74LS32，其最大延遲時間為22 ns，D觸發(fā)器用的是Hitachi HD74LS175，其傳播延遲時間典型值為20ns，所以距離的誤差為:

這個比較方法的精度比普通的方法要高得多.

[1]蘇 強，林旭海.一種基于單片機的超聲波傳感器的研究與設計[J］.微型機與應用，2010，29(15):92 －94.

[2]丁立軍，華 亮，陳 峰.基于超聲波傳感器與紅外傳感器的移動機器人感測系統(tǒng)研制[J］.南通大學學報:自然科學版，2008，7(2):13 －17.

[3]吳銀鳳，劉光聰.紅外接受電路CX20106的應用[J］.電氣時代，2003(9):110－111.

[4]鮑小南.單片機微型計算機原理及應用[M］.杭州:浙江大學出版社，2007:88－106.

[5]宋淑然，羅興吾，洪德梅.電工電子技術基礎[M］.廣州:廣東高等教育出版社，2002:211－232.