3 系统硬件电路设计 3.1 超声波发射驱动及接收转换电路 本系统的发射驱动及接收转换电路如图3所示。 工作原理为：由AT89C52单片机产生40KHz的TTL脉冲信号通过P1.0输出，再经过三极管Q1和变压器TR1进行功率放大，在变压器副线圈上将电压10倍放大，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面接收电路的前置放大电路输入端进行钳位，使其电压最大不超过0.7V，以免前置放大电路的输入端电压因为过高而发生阻塞。 超声波在空气中传播，遇到目标物体反射的回波信号加载到超卢波换能器上，换能器由于压电效应产生微弱电压信号，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送入前置放大电路的输入端。 3.2 自动增益控制(AGC)电路 超声波回波信号随着被测距离的变化，其幅值变化也很大，必须经过增益控制，以满足整形电路的要求。实现增益随时间呈指数变化的AGC电路有多种，本文设计了通过软、硬件结合的AGC电路，它由可编程放大器AD620AN、数字电位器MAX5400结合单片机联合实现。 AD620AN是一种电阻可编程放大器，内部由三运放组成，具有很高的精度和共模抑制比。增益范围为1～1000，由管脚1、8之间的电阻调节。增益公式为： MAX5400是一种具有256抽头的数字电位器，端一端阻值为50kΩ，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，实现电阻阻值的变化，管脚1、8与AD620AN的1、8端相连，从而实现增益的调节。 事先通过实验，在0～3米的距离内，每隔30厘米测量一次，把较为理想的放大倍数换算成数字电位器的抽头位置，并把这些位置参数列表并固化到E2PROM中。单片机以计时器中断的方式来设置增益，到了一定时刻就由内部定时器产生一次中断，中断服务子程序通过查表方式获得对应的增益，然后通过SPI接口设置对应增益。 3.3 温度补偿 超声波在同体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速c与温度有关。如果环境温度变化显著，必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可以表示为： 式中，T为环境摄氏温度℃。 为了提高系统的测量精度，本文设计了温度补偿电路。系统采用数字温度计DS1820采集温度。DS1820是美国DALAS公司推出的单线串行数字温度计，可直接与单片机连接，并且接线形式简单，测量范围为-55～+125℃，在-10～+850℃范围内测量精度为0.5℃。传感器输出的是用9位二进制编码表示的温度值。根据实际温度的值，利用公式(3)可计算补偿声速。 3.4 绝对值变换和包络电路 本系统的绝对值变换和包络电路原理图如图4所示。 绝对值变换电路中，当输入信号Vin为负时，D7导通，U13B为倒相放大器；Vin为正时，D8导通，U13A为非倒相放大器。无论输入信号的电压极性如何，其输出总是正电压，且幅值不变。如前所述，网波信号经过绝对值变换电路以后，负电压被翻转为正电压，且频率倍增，然后通过二极管D9、电容C56组成的检波电路对新波形进行包络。根据超声波回波起伏特性，频率倍增后包络曲线更加平滑。在本电路中，检波电路中的电容值要匹配合适，绝对值变换电路中集成运算放大器选用TL082。波形包络原理如图5所示。 3.5 微分电路和过零检测 回波包络信号通过微分电路，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断INTO，单片机停止计时，从而捕捉到同波信号到达时刻。包络信号微分和过零检测原理如图6所示。 4 系统软件设计 本测距系统软件包括主程序、温度采集子程序、发射子程序、计算子程序、数码显示子程序、外部中断子程序和定时器中断子程序。主程序完成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，并关外部中断，计数器T0、T1同时开始计时；为防止虚假回波的干扰，在延时一段时间后，开中断，此时判断计数器T1有否溢出中断，单片机根据不同的时间，以查表的方式设置自动增益控制电路的增益；当有外部中断信号时，单片机就停止T0的计时，计算出渡越时间t并存储到E2PROM中；然后调用测温子程序，采集超声波测距时的环境温度，并换算出准确的声速c，存储到E2PROM巾；单片机再调用计算子程序，计算出传感器到目标物体之间的距离，最后把测量结果存储并通过数码管电路显示出来，完成一次测量。主程序流程如图7。 木超声波测距系统采用新的设计方法，并在实验室环境中进行测量，测量精度较高。由于采用收发一体式的测距电路，换能器振子必须在余震消除后才能进行接收，因此该测距系统有很大的盲区。因为电路的延迟及包络峰值点后移，导致测量计时有所增大，进而导致测量数据的偏大。本系统采用前置放大器、AGC电路、过零检测等电路对接收信号进行处理，取得了良好的效果。在近距离测量范围内，这种方法可以达到厘米级。
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