基于MAXQ7667的超声波测距系统应用研究
【摘要】针对一般大量程的超声波测距系统其精度不高的问题,设计了一种高精度的超声波测距系统。该系统采用Maxim公司的MAXQ7667作为控制器,通过设计的发射电路、接收电路、温度补偿电路、MAXQ7667自身所拥有的高信噪比及其数字信号处理能力,克服了一般超声测距系统低精度的缺点。实验表明,该超声测距系统的量程在8米内的绝对误差不大于1cm,相对误差小于0.5%。
【关键词】超声测距;换能器;高精度;单片机
1.引言
随着科技的发展,超声波测距广泛应用于交通,农业,工业,安全防护能源测量等科学领域。与红外、涡流和激光测距方法相比,超声波测距的优势在于具有不受外界光及电磁场等因素影响的优点,且其结构简单,成本相对比较低[1]。但对于要求精度比较高的情况下,一般的超声波测距系统所能检测到的距离都不大。这是由于超声波在传播过程中,其信噪比会因外界因素的影响而改变,如果在超声波测距过程中,当接收到信号的能量比较大,传统的阈值检测法是可行的。而当测距目标距离传感器比较远时,回波信号因自身的能量衰减以及外界因素的干扰使其有用信号部分甚至完全淹没在干扰中,这时测距系统就难以判定是否接收到回波信号,此时阈值检测法就失效了[2]。因此,设计了一种基于MAXQ7667的先进超声波测距系统,可用于一些要求测量距离较大且精度较高的场合,例如在室内的精确定位。
2.超声测距系统及其原理
超声波测距系统是由发射电路、接收电路、超声波换能器以及MAXQ7667主控芯片构成,如图1。其中,用于发送和接收的超声波的元件称为超声波换能器。在发射状态下,超声波换能器将发射电路输出的脉冲信号转换成与其频率相等的超声波;在接收状态下,超声波换能器将接收的声波转换成与其频率相等的电信号。
由于超声波在均匀的介质中传播的速度的是一定的,只要计算出超声波从点A到点B的飞行时间t,并且得知超声波此时的速度v,就可以得到A与B的距离s,即:
(1)
3.硬件构成
3.1 MAXQ7667单片机
Maxim公司的MAXQ7667单片机嵌入了一个16位的MAXQ20微控制器,MAXQ20可以在不同温度下优化发射脉冲和接收回波的频率,通过一个可编程的锁相环(PLL)合成器为瞬时脉冲群发生器提供参考频率,使其可以很好的产生25kHz~100kHz的脉冲信号,并且为回声接收器的数字滤波器提供时钟。而其回波接收模块集成了一个可编程增益低噪声放大器(LNA),一个将接收到的回声信号数字化的16位sigma-delta模数转换电路(ADC)以及数字信号处理器(DSP)。DSP利用带通滤波器限制噪声,同时通过解调和低通滤波创建回波包络。除了一般单片机所拥有定时器和异步串行通信(UART)功能外,MAXQ7667还拥有一个16乘16的硬件乘法器,使得最后距离的计算非常的快捷和方便。
3.2 发射与接收电路
超声波的发射与接收电路如图2。其中所用换能器为压电式换能器,其半功率角为7°,锐角度18°,换能器的工作频率为47KHz~51 KHz。为了得到较高的驱动电压,采用反激电路产生驱动信号,其中变压器的变比为1比20,实验中从示波器看到加在换能器两端的电压峰峰值将近有800V。
3.3 温度补偿
在空气中,不同温度下声波的声速是不同的,可以表示为以下的关系[3]:
(2)
式中T为空气的温度,单位为摄氏度(℃)。
从上面式子可以看出,温度每偏差1℃时,风速就大致偏差了0.6m/s。在常温(25℃)下,忽略其他外界的干扰,风速此时为346.6m/s。在测量距离为10m的情况下,此时由温度偏差1℃引起的误差就为0.034m,这超出了测量误差的允许范围。因而,我们有必要提高温度检测的精度。
为了提高温度检测的精度,选用DS18B20这款数字温度传感器。由于其独特的单线接口方式[4],仅需要将DS18B20的DQ于MAXQ7667的P0.7口相连就可以实现双向通信,如图3。其测温范围为-55℃~+125℃,测量结果以9~12位数字量方式串行传送,测量温度分辨率可以达到0.0625℃,能够满足测距系统的要求。
3.4 数据传输显示
为了提高测量系统的灵活性以及使得测量所得数据更加方便保存,系统还采用了RF24L01射频模块,将每次测量到的距离信号或者错误信号实时的传送到连接PC机端的射频模块,再经过RS232口进行通讯。这样就使得在做测量距离实验时,可以更好的改变系统所在的位置,而不受传输线的限制。
4.软件设计
4.1 主程序流程图
图5为测距程序流程图,其中由于当目标很靠近换能器时,存在着死区[7],因此需要在发送声波之后,设置一个0.2ms的延时程序,避免死区所引起的错误测量。
4.2 关键寄存器的设置
考虑到系统所采用的换能器特性,采取了驱动信号频率为50KHz的脉冲信号,一次发送7个脉冲,系统所选的是16MHz的的晶振。以下是一些关键的初始化设置:
PLLF_bit.PLLC = 0;// 16MHz 的晶振
PLLF_bit.PLLF = 256;// 锁相环的分频(涉及到所需脉冲的频率)
BTRN_bit.BCKS = 0;// 脉冲源为晶振
BTRN_bit.BCNT = 7;// 一次发送7个脉冲
BTRN_bit.BDIV = 0xb;// 锁相环的分频(涉及到所需脉冲的频率)
BTRN_bit.BPOL = 0;// 低电平转高电平时输出脉冲
BPH_bit.BPH = 160;// 设置脉冲的占空比为50%
BTRN_bit.BGT = 0;// 通过专用输出口给脉冲
BTRN_bit.BTRI = 0;// 将BURST设定为输出
在检测声波的过程中,需要用到下面的设置:
APE_bit.LNAE = 1;//打开低噪声放大器
APE_bit.MDE = 1;//打开ADC
APE_bit.PLLE = 1;//打开锁相环,可用于设定脉冲的频率
APE_bit.BGE = 1;//使能带通滤波器
APE_bit.RECHOE = 1;//使能回波路径寄存器,用于保存输出值
5.实验数据及分析
虽然在实际的测量中,接收到的声波并没有经过放大,但为了便于观察,在靠近换能器的位置增加了两级放大和一个带通滤波器,总共放大50倍来观察接收到的声波波形,如图5~7。
从图5和图6中可以看到,当距离目标较近的时候,回波的信号在经过放大后,电压峰峰值最高是有数百毫伏的。而距离较远时,如图7为6米处经过放大后的回波波形峰峰值只有120mV左右,可以计算出,放大前的回波峰峰值只有1-3mV,信号较为微弱,并且会随着距离的增加而使得幅值衰减[5,6]。而在实际运用中,由于MAXQ7667内部有放大电路和带通滤波器,因此不需要外部再增加放大电路,简单方便了许多,进而降低了成本。实物图如图8所示。
在修正系统的误差之前,测试环境在30℃下,得到表1的数据,得出其误差曲线如图9。
其线性趋近线为:
(3)
式中s为被测目标与换能器的距离,为需要修正的误差值,单位都是mm。
经过修正后,分别在28℃和20℃下测量到的数据分别如表2和表3。从表2和表3可以看出,测距系统的误差进一步减小,距离在0.5m内时,绝对误差在2mm内。但由于温度的检测仍然存在一定的误差,使得在28℃下,系统的误差是往负方向偏离,而在20℃,系统的误差是往正方向偏离,要解决这一问题,需要提高温度检测的精度,或者在多个不同的温度下进行修正,使得由温度引起的误差进一步减小。
6.结论
实验表明,该超声测距系统的量程在8米内的误差小于1cm,误差精度小于0.5%。目前,该研究已得到初步应用,其性能稳定可靠,为提高室内定位的精度提供了一个可行并且成本较低的测距方案。
参考文献
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[2]潘仲明,简盈,王跃科.大作用距离超声波传感技术研究[J].传感技术学报,2006,19
(1):206-210.
[3]买买提热夏提·买买提,亚森江·吾普尔,复尔开提·夏尔丁.浅谈空气中的声速与温度关系[J].物理实验,2007,27(11):42-47.
[4]王寅观.超声波液体浓度计[J].化工自动化及仪表,1987,16(4):16.
[5]祝琴.扩频技术在超声测距系统中的应用[D].湖南:国防科技大学,2006.
[6]时玮,孟军,刘波.温度修正的超声波测距控制技术[J].机械工程与自动化,2005(6):
85-87.
[7]潘宗预,潘登.超声波测距精度的探讨[J].湖南大学学报:自然科学版,2002,29(3):18-31.
作者简介:
严伟诚(1987—),男,广东惠州人,研究生,主要研究方向:自动化装备与控制技术。
王钦若(1958—),男,海南儋县人,硕士,教授,博士生导师,主要研究方向:计算机应用技术,机电一体化,自动化装备与控制技术。
彭义(1984—),男,江西萍乡人,研究生,主要研究方向:自动化装备与控制技术。
叶宝玉(1984—),女,广东河源人,博士,主要研究方向:自动化装备与控制技术。
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