基于無(wú)線超再生通信模塊的超聲波測(cè)距系統(tǒng)
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李廣球，陳昌雄，李廣灝，張 旭
（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）
摘要：闡述了一種超聲波與無(wú)線超再生通信模塊相結(jié)合的測(cè)距系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用收發(fā)分開的方法克服普通超聲波測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量范圍小的缺點(diǎn)，具有較高的性價(jià)比，可以為自動(dòng)引導(dǎo)車等提供較為精確的位置信息。
關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；無(wú)線超再生；測(cè)量范圍中圖分類號(hào)：TP274+．53：TP273
0 引言
超聲波作為一種特殊的聲波，具有指向性強(qiáng)、在空氣中傳播速度較慢、傳播時(shí)間容易測(cè)量的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于液位和倒車等短距離測(cè)距中。目前的超聲波測(cè)距一般采用回波一渡越時(shí)間測(cè)量法，即超聲波發(fā)射器和接收器處于同一位置，發(fā)射器發(fā)射出超聲波，超聲波經(jīng)物體反射后被超聲波接收器接收，系統(tǒng)先測(cè)出超聲波在發(fā)射器與物體之間的傳播時(shí)間t，再由s=v t/2計(jì)算出發(fā)射器和物體之間的距離。然而，在利用此方法測(cè)距時(shí)由于超聲波經(jīng)過反射時(shí)會(huì)有大量能量損失，導(dǎo)致測(cè)量范圍比較小，因此本文設(shè)計(jì)了一種將無(wú)線超再生通信模塊與超聲波收發(fā)結(jié)合、在同等發(fā)射功率條件下能測(cè)量更大范圍的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。
1 超聲波測(cè)距原理
超聲波發(fā)射器由共振板和壓電晶片組成，當(dāng)它的外加電信號(hào)頻率等于壓電晶片的固有頻率時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板一起振動(dòng)而產(chǎn)生超聲波。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有兩塊板子，一塊主板，一塊從板。主板發(fā)射無(wú)線信號(hào)（下文稱引導(dǎo)信號(hào)）后立即發(fā)射超聲波，由于引導(dǎo)信號(hào)以光速傳播，相對(duì)聲速來說其傳播時(shí)間可忽略不計(jì)，當(dāng)從板檢測(cè)到引導(dǎo)信號(hào)后啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，待捕捉到超聲波信號(hào)后停止計(jì)數(shù)器，此時(shí)計(jì)數(shù)器的值就是超聲波在此距離內(nèi)傳播的時(shí)間t，距離為s= v t。在空氣中超聲波的傳播速度主要受溫度的影響，因此要對(duì)聲速進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償后超聲波的速度v= (331. 4+0. 61t)m／S。
2超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
超聲波測(cè)距系統(tǒng)主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)由單片機(jī)、無(wú)線超再生發(fā)射模塊、NRF無(wú)線通信模塊、超聲波發(fā)射電路和溫度測(cè)量電路組成；從機(jī)硬件結(jié)構(gòu)由單片機(jī)、無(wú)線超再生接收模塊、NRF無(wú)線通信模塊和超聲波接收電路組成。主板和從板結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1、圖2所示。
2.1 無(wú)線超再生模塊的設(shè)計(jì)
在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中將無(wú)線信號(hào)作為主板發(fā)射超聲波的標(biāo)志信號(hào)，本系統(tǒng)采用工作頻率為315 MHz的無(wú)線超再生模塊對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行發(fā)射和接收，它采用聲表諧振器，SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高。發(fā)射模塊設(shè)計(jì)增加了一只數(shù)據(jù)調(diào)制三極管，使其方便地與固定編碼電路、單片機(jī)電路連接。接收模塊采用LC振蕩電路，內(nèi)含放大整流，輸出TTL電平，本系統(tǒng)接收模塊的數(shù)據(jù)管腳與單片機(jī)的外部中斷引腳連接。
圖3為無(wú)線超再生接收模塊無(wú)信號(hào)時(shí)的輸出波形。圖4為無(wú)線超再生通信模塊一收一發(fā)模式下兩模塊數(shù)據(jù)管腳波形圖，其中CH1通道為接收模塊數(shù)據(jù)管腳波形圖，CH2通道為發(fā)射模塊數(shù)據(jù)管腳波形圖，測(cè)試距離為50 cm。由圖3、圖4可以得出以下規(guī)律：
(1)無(wú)信號(hào)時(shí)接收輸出雜波。
(2)有信號(hào)時(shí)，輸出無(wú)線超再生發(fā)射模塊送來的波形，但是最開始出現(xiàn)的數(shù)據(jù)受到干擾，圖4中第1個(gè)數(shù)據(jù)位被雜波干擾。實(shí)驗(yàn)證明在兩模塊距離增大時(shí)接收模塊的第2個(gè)數(shù)據(jù)位也受到干擾。
(3)接收模塊在信號(hào)接收完之后會(huì)出現(xiàn)一段輸出低電平的時(shí)期，低電平的延續(xù)時(shí)間大概為100 ms，然后輸出雜波。
(4)當(dāng)一次傳輸數(shù)據(jù)量比較大時(shí)，后幾位的數(shù)據(jù)容易受到干擾。
綜上所述，要使無(wú)線超再生發(fā)射模塊發(fā)射的引導(dǎo)信號(hào)被接收模塊識(shí)別，引導(dǎo)信號(hào)不能發(fā)射單個(gè)脈沖，應(yīng)該由引導(dǎo)碼和識(shí)別碼組成。引導(dǎo)信號(hào)波形圖如圖5所示，首先無(wú)線超再生發(fā)射模塊先連續(xù)發(fā)射5個(gè)5 ms的脈沖作為引導(dǎo)碼，然后發(fā)送14 ms的低電平和12 ms高電平組成的識(shí)別碼，5個(gè)5 ms的方波可以保證接收模塊能夠完整地識(shí)別出識(shí)別碼，本系統(tǒng)通過對(duì)識(shí)別碼的時(shí)間檢測(cè)來確認(rèn)識(shí)別碼，由于識(shí)別碼的時(shí)間較長(zhǎng)，而接收模塊輸出雜波的時(shí)間較短，同時(shí)輸出14 ms低電平和12 ms高電平的概率很低，因此采用這樣的識(shí)別碼可以有效地避免誤觸發(fā)。大量實(shí)驗(yàn)表明，此引導(dǎo)信號(hào)可有效地消除外界的干擾，從而使從板能夠準(zhǔn)確地接收并識(shí)別數(shù)據(jù)。
在空曠地和供電電源為5V的情況下，無(wú)線超再生通信模塊的傳輸距離理論上可以達(dá)到100 m～200m，但實(shí)際上模塊傳輸距離由于受到天線和收發(fā)環(huán)境的影響根本達(dá)不到理論值，因此根據(jù)模塊的特性，最好垂直安裝在電路板邊緣，盡量遠(yuǎn)離周圍器件，以免受到分布參數(shù)的影響。天線選用1／4波長(zhǎng)天線，一般采用50 Ω單芯導(dǎo)線，本模塊的工作頻率是315 MHz，因此選取的長(zhǎng)度為23 cm。安裝天線時(shí)應(yīng)盡量把天線拉直，并遠(yuǎn)離屏蔽、高壓及有干擾源的地方。
2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)
因振動(dòng)頻率為40 kHz的超聲波在空氣中的傳播最佳，因此本系統(tǒng)選用TCT40-16系列的超聲波探頭，其工作頻率為40 kHz，最大驅(qū)動(dòng)電壓為1）V。超聲波發(fā)射電路如圖6所示，由于單片機(jī)IO口驅(qū)動(dòng)能力比較差，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)換能器發(fā)送超聲波，因此采用脈沖變壓器增加電壓增益以提高發(fā)射功率，R2、C3和D1組成D- R-C吸收電路來保證三極管Q1能夠穩(wěn)定地工作。
2.3 超聲波接收電路設(shè)計(jì)
超聲波接收電路的作用是將超聲波探頭接收到的微弱信號(hào)放大、濾波和整形后輸出臺(tái)階信號(hào)，提示單片機(jī)計(jì)算超聲波在空氣中的傳播時(shí)間t。本系統(tǒng)中超聲波接收電路采用紅外線接收專用調(diào)制芯片CX20106A，該芯片常用于紅外遙控接收器中，因紅外遙控的載波頻率為38 kHz與超聲波頻率40 kHz比較接近，且CX20106A內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為30 kHz～60kHz，因此可作為超聲波接收電路。超聲波接收電路如圖7所示，主板經(jīng)超聲波發(fā)射電路發(fā)出的超聲波被從板超聲波接收器檢測(cè)到后送入CX20106A，經(jīng)過芯片內(nèi)部的前置放大器和限幅放大電路將信號(hào)調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆�，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號(hào)，再經(jīng)過整形送到芯片的第7腳，第7腳和單片機(jī)的中斷IO管腳相連，當(dāng)接收到40 kHz的超聲波信號(hào)時(shí)，輸出端輸出低電平，觸發(fā)中斷。
2.4 溫度測(cè)量電路、液晶顯示單元與NRF無(wú)線模塊單元
由于超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關(guān)，因此需要增加測(cè)溫電路來校正溫度帶來的誤差，溫度測(cè)量電路采用1wire總線器件DS18820，該器件的測(cè)溫精度可達(dá)到0. 012 50C。液晶顯示采用5110液晶屏，可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示。由于從板測(cè)得的距離數(shù)據(jù)要回傳到主板做顯示使用，且無(wú)線超再生通信模塊在傳輸大量數(shù)據(jù)過程中容易受到干擾，因此本系統(tǒng)中采用NRF24L01無(wú)線模塊作為數(shù)據(jù)的傳輸，其具有功耗低、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，傳輸距離可達(dá)到100 m～200 m，電路圖從略。
3軟件設(shè)計(jì)
主板的單片機(jī)mega16先讀取DS18820的溫度值算出此溫度下超聲波的傳播速度，再通過NRF無(wú)線模塊發(fā)送一個(gè)準(zhǔn)備命令給從板，從板接收到命令后進(jìn)入準(zhǔn)備接收引導(dǎo)信號(hào)的狀態(tài)并通過NRF無(wú)線模塊返回一個(gè)準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)信號(hào)，主板接收到從板發(fā)送的狀態(tài)信號(hào)后發(fā)射引導(dǎo)信號(hào)和超聲波，等待從板回傳數(shù)據(jù)，從板接收到引導(dǎo)信號(hào)后立即啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，待超聲波到來后停止計(jì)數(shù)器，然后通過NRF無(wú)線通信模塊給主板回傳時(shí)間數(shù)據(jù)，主板接收到回傳數(shù)據(jù)后進(jìn)行溫度修正并顯示出來。超聲波測(cè)距系統(tǒng)時(shí)序圖如圖8所示，超聲波從主板到從板傳播時(shí)間即為t。主板與從板流程圖分別如圖9、圖10所示。
4結(jié)論
基于無(wú)線超再生模塊的超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用收發(fā)分開的模式，克服了反射式超聲波測(cè)距儀在反射時(shí)能量損耗造成測(cè)距量程小的缺點(diǎn)，實(shí)踐驗(yàn)證該系統(tǒng)測(cè)量距離遠(yuǎn)大于10 m。本系統(tǒng)還可以將主板安裝在智能小車上，并增加1塊從板，使其構(gòu)成超聲波定位系統(tǒng)，為小車的路徑規(guī)劃提供位置信息。
