在现代工业出产过程中,使用超声波进行近间隔非触摸式丈量越来越广泛，例如液位的丈量、煤层的测厚、机器人定位、辅佐视觉体系、车辆的定位与导航、轿车防撞雷达、井深及管道长度丈量等方面。依据超声波纵向分辨力高、对颜色和光照度不灵敏、抗电磁搅扰能力强等特色，能够规划出精度较高的超声波测距体系，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选用固定阈值的比较器比较输出，丈量精度遍及较低[1]。本文从回波信号处理的视点动身，剖析了超声波回波曲线的特性，使用回波包络的峰值检测以确认回波抵达时刻的办法，并介绍一种以89C52单片机为中心、具有自动增益操控和峰值包络检测、高精度的收发一体式超声波测距体系的硬件电路和软件规划。
1 回波信号包络研讨
传统的使用固定电平判别回波抵达时刻的超声波测距办法存在较大差错。针对这种差错提出的可变阈值的超声波测距办法，由于搅扰信号的存在，超声波测距主芯片会发生误判回波时刻的到来，然后导致丈量数据不精确。
超声传感器经过压电晶片的逆效应——电致弹性，在空气介质中发生超声波。测距所用超声波一般都是以连续的高压单脉冲发射，每测距一次，需求发射、接纳一次。所以在测距脉冲的发射过程中，传感器晶片阅历了起震、加强和衰减三种状况，并发生多个谐振周期的超声波；接纳过程中，传感器晶片在多个谐振周期的超声脉冲作用下，经过压电效应在晶片两头发生崎岖电压。厦门大学的童峰等研讨了单脉冲发射时超声回波的崎岖特性，并依据声的发射、反射理论及应用力——声类比，推导出了抱负条件下的测距回波包络曲线方程[2]。在此理论基础上，经过很多试验，每次发射1个脉冲宽度为时刻?子的脉冲，来验证这种超声波回波崎岖特性。图1为经过扩大、带通滤波、AGC电路今后，用Tektronix数字存储示波器存储得到的回波波形。
能够验证：超声回波在脉宽时刻处，电压峰值抵达最大，和童峰的理论剖析根本符合，这也为本文应用在判别回波抵达时刻的处理办法供给了理论和现实依据。依据上述对超声回波波形特性的剖析，本文提出了一种确认回波抵达时刻的思路：在接纳电路中参加精细的绝对值转化电路，把回波信号的负电压翻转为正电压，然后经过检波电路，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，再经过过零检测电路，向单片机宣布外部中止信号，中止计数器计时。单片机在发射完1个脉冲后，发动内部计数器计时到外部中止触发计数器中止计时，这段时刻即为超声波脉冲的渡越时刻t。
2 超声波测距原理及体系组成
超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时刻法来完结的。设超声波脉冲由传感器宣布到接纳所阅历的时刻为t，超声波在空气中的传达速度为c，则从传感器到方针物体的间隔d可用下式求出：
从式(1)可知，只需知道超声波在空气中的传达速度c，则测出传达声时t就可求出传感器到方针物体的间隔d。本超声波测距体系原理框图如图2所示。
该体系由ATMEL公司出产的AT89C52单片机、超声波发射电路、发射接纳转化电路、接纳前置扩大电路、带通滤波电路、自动增益操控（AGC）电路、绝对值改换电路、检波电路、过零检测电路、环境温度收集电路、E2PROM存储电路、显现电路和超声波传感器组成。AT89C52单片机为整个体系的中心部件，和谐各部分电路的作业。传感器选用TCF40-16型收发一体式超声波传感器,谐振频率为40kHz；单片机发生脉冲信号，经三极管和变压器扩大后，经过发射接纳转化电路驱动超声波传感器；每次发射1个脉冲，当脉冲发射后，发动计数器开端计数；回波信号经过发射驱动接纳转化电路、前置扩大电路、带通滤波电路、自动增益操控（AGC）电路、绝对值改换电路、检波电路、过零检测电路后输入AT89C52单片机中，触发外部中止，单片机AT89C52中止计数器计数并核算出渡越时刻t；环境温度收集电路将现场温度数据送到单片机中，经过核算来补偿声速，最终使用公式(1)核算出间隔，并由显现电路显现出来。
3 体系硬件电路规划
3.1 超声波发射驱动及接纳转化电路
本体系的发射驱动及接纳转化电路如图3所示。
作业原理为：由AT89C52单片机发生40kHz的TTL脉冲信号经过P1.0输出，再经过三极管Q1和变压器TR1进行功率扩大，在变压器副线圈大将电压10倍扩大，这时换能器上加载的正弦电压幅值约为100V。在变压器TR1原线圈上，串联了限流电阻R2；变压器TR1副线圈上，R3是与超声波换能器进行阻抗匹配的电阻，在副线圈导通时，由于加在换能器上的电压很大(100V)，接地的两个反向并联的二极管对后边接纳电路的前置扩大电路输入端进行钳位，使其电压最大不超越0.7V，避免前置扩大电路的输入端电压由于过高而发生堵塞。
超声波在空气中传达，遇到方针物体反射的回波信号加载到超声波换能器上，换能器由于压电效应发生弱小电压信号，输出的这种回波信号是mV级的电压信号。由于二极管的导通电压为0.7V，回波信号不能经过两个反向并联的IN4148和变压器副线圈构成回路，只能经过电阻R4、电容C3送入前置扩大电路的输入端。
3.2 自动增益操控（AGC）电路
超声波回波信号跟着被测间隔的改变，其幅值改变也很大，有必要经过增益操控，以满意整形电路的要求。完结增益随时刻呈指数改变的AGC电路有多种，本文规划了经过软、硬件结合的AGC电路，它由可编程扩大器AD620AN、数字电位器MAX5400结合单片机联合完结。
AD620AN是一种电阻可编程扩大器，内部由三运放组成，具有很高的精度和共模抑制比。增益规模为1～1000，由管脚1、8之间的电阻调理。增益公式为：
MAX5400是一种具有256抽头的数字电位器，端-端阻值为，温度系数小于5ppm/℃，并带有SPI接口。在本文中管脚3、4、5与单片机相连，完结电阻阻值的改变，管脚1、8与AD620AN的1、8端相连，然后完结增益的调理。
事前经过试验，在0～3米的间隔内，每隔30厘米丈量一次，把较为抱负的扩大倍数换算成数字电位器的抽头方位，并把这些方位参数列表并固化到E2PROM中。单片机以计时器中止的办法来设置增益，到了必定时刻就由内部定时器发生一次中止，中止服务子程序经过查表办法取得对应的增益，然后经过SPI接口设置对应增益。
3.3 温度补偿
超声波在固体中传达速度最快，在气体中传达速度最慢，而且声速c与温度有关[3]。假如环境温度改变明显，有必要考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的联系能够表明为：
式中，T为环境摄氏温度℃。
为了进步体系的丈量精度，本文规划了温度补偿电路。体系选用数字温度计DS1820收集温度。DS1820是美国DALAS公司推出的单线串行数字温度计，可直接与单片机衔接，而且接线办法简略[4]，丈量规模为-55～+125℃，在-10～+85℃规模内丈量精度为0.5℃。传感器输出的是用9位二进制编码表明的温度值。依据实践温度的值，使用公式（3）可核算补偿声速。
3.4 绝对值改换和包络电路
本体系的绝对值改换和包络电路原理图如图4所示。
绝对值改换电路中，当输入信号Vin为负时，D7导通，U13B为倒相扩大器；Vin为正时，D8导通，U13A为非倒相扩大器。不管输入信号的电压极性怎么，其输出总是正电压，且幅值不变[5]。如前所述，回波信号经过绝对值改换电路今后，负电压被翻转为正电压，且频率倍增，然后经过二极管D9、电容C56组成的检波电路对新波形进行包络。依据超声波回波崎岖特性，频率倍增后包络曲线愈加滑润。在本电路中，检波电路中的%&&&&&%值要匹配适宜，绝对值改换电路中集成运算扩大器选用TL082。波形包络原理如图5所示。
3.5 微分电路和过零检测
回波包络信号经过微分电路，电压峰值点处取导数为零，过零检测电路在信号的过零点时刻发送脉冲信号给单片机外部中止INT0，单片机中止计时，然后捕捉到回波信号抵达时刻。包络信号微分和过零检测原理如图6所示。
4 体系软件规划
本测距体系软件包含主程序、温度收集子程序、发射子程序、核算子程序、数码显现子程序、外部中止子程序和定时器中止子程序。主程序完结初始化后调用发射子程序，由P1.0口发射1个脉冲，驱动超声波传感器发射超声波，并关外部中止，计数器T0、T1一起开端计时；为避免虚伪回波的搅扰，在延时一段时刻后，开中止，此刻判别计数器T1有否溢出中止，单片机依据不同的时刻，以查表的办法设置自动增益操控电路的增益；当有外部中止信号时，单片机就中止T0的计时，核算出渡越时刻t并存储到E2PROM中；然后调用测温子程序，收集超声波测距时的环境温度，并换算出精确的声速c，存储到E2PROM中；单片机再调用核算子程序，核算出传感器到方针物体之间的间隔，最终把丈量成果存储并经过数码管电路显现出来，完结一次丈量。主程序流程如图7。
本超声波测距体系选用新的规划办法，并在试验室环境中进行丈量，丈量精度较高。由于选用收发一体式的测距电路，换能器振子有必要在余震消除后才干进行接纳，因而该测距体系有很大的盲区。由于电路的推迟及包络峰值点后移，导致丈量计时有所增大，从而导致丈量数据的偏大。本体系选用前置扩大器、AGC电路、过零检测等电路对接纳信号进行处理，取得了杰出的作用。在近间隔丈量规模内，这种办法能够抵达厘米级。
