基于ATMEGA8的高精度超聲波測距儀設(shè)計(jì)

許紅梅

(山東省東營市墾利縣供電公司電力調(diào)度辦公室，山東東營 257500)

由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中的傳播距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離測量，如測距儀和物位測量儀等都可以用超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測較為迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。因而超聲波測距，多應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人定位［1］、建筑工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，如液位、井深的測量等場合。目前，石油石化行業(yè)對油庫和水箱液面的精確測量和控制的要求越來越高，基于以上需要，以ATMEGA8為控制核心，利用專用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDC-GP21為測量環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了一種高精度的小型化超聲波測距系統(tǒng)［2］，并介紹了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法。

1 超聲波測距基本原理

超聲波測量技術(shù)［3］是基于蝙蝠等無目視能力的生物防御及捕捉獵物生存的原理，利用超聲波借助空氣媒質(zhì)傳播，通過遇到障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短及被反射超聲波的強(qiáng)弱判斷障礙物性質(zhì)和位置的方法。本系統(tǒng)采用時(shí)間間隔檢測法，即測距時(shí)超聲波發(fā)射器有規(guī)律發(fā)射超聲波，遇到被檢測對象后反射回來，通過超聲波接收器接收到反射波信號，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，測出從發(fā)射超聲波至接收到反射波的時(shí)間差(時(shí)間間隔t)。t與超聲波傳播速度c相乘可求出被測距離 s，即

由于超聲波的聲速和溫度有關(guān)［4］，如果溫度變化不大，認(rèn)為聲速基本不變。如果測距精度要求高，那么可以通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ２煌瑴囟认鲁暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣入S溫度變化關(guān)系

式中，T為實(shí)際溫度;c的單位為m/s。

2 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)超聲波的工作原理，結(jié)合現(xiàn)場的使用需要，設(shè)計(jì)了一種低功耗、高精度、加密數(shù)據(jù)存儲、便攜式讀寫功能的超聲波測距系統(tǒng)。超聲波測距系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 超聲波測距系統(tǒng)框圖

2.1 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合應(yīng)用要求，根據(jù)超聲波測距原理，以ATMEG8單片機(jī)［5］為核心，利用專用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TDCGP21為測量環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)制作超聲波測距電路。

控制芯片選用ATMEGA8。ATMEGA8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR R ISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)，自帶SPI接口，可以達(dá)到接近1 MIPS/M的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。

超聲波測量部分由TDC-GP21、超聲波探頭、發(fā)射控制電路、溫度傳感器、超聲波信號處理電路等組成［6］。TDC-GP21是一種高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，是精密計(jì)時(shí)系統(tǒng)的核心器件。TDC-GP21［7］內(nèi)部主要由脈沖發(fā)生器、數(shù)據(jù)處理單元ALU、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器單元TDC、溫度測量單元、時(shí)鐘控制單元、配置寄存器以及與單片機(jī)相接的SPI接口組成。計(jì)時(shí)芯片配置電路如圖2 所示［8］。

圖2 計(jì)時(shí)芯片配置電路圖

溫度測量選用Dallas公司的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，它通過輸出9位二進(jìn)制數(shù)字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過DS18B20的數(shù)據(jù)總線直接輸入CPU，無需A/D轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令和溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入 DS18B20，無需外部電源。

在超聲波測距系統(tǒng)中，ATMEGA8單片機(jī)為核心控制器件，控制對超聲波的采樣、數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示及通信等。ATMEGA8單片機(jī)通過自帶SPI接口對TDC-GP21芯片進(jìn)行控制，完成對TDC-GP21芯片功能配置選擇。在配置完成后，TDC-GP21芯片能產(chǎn)生一組頻率為1 MHz的超聲波，1 MHz超聲波送到超聲波換能器驅(qū)動(dòng)探頭。接收探頭收到的回波經(jīng)過開關(guān)電路，進(jìn)入超聲波調(diào)理電路進(jìn)行信號的處理，該測量回波返回到TDC-GP21芯片，TDC-GP21芯片判斷接收到回波后結(jié)束測量，同時(shí)通過中斷通知ATMEA8單片機(jī)，ATMEGA8單片機(jī)讀取測時(shí)時(shí)間。ATMEGA8單片機(jī)讀取TDC-GP21芯片測時(shí)數(shù)據(jù)后，通過1-wire總線控制DS18B20測量當(dāng)前溫度，引入溫度校正功能對單片機(jī)計(jì)算得到的距離進(jìn)行修正，得到最終測量結(jié)果并通過LCM141液晶顯示，同時(shí)對最終結(jié)果保存，液晶顯示數(shù)據(jù)可通過鍵盤電路進(jìn)行選擇。

2.2 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)超聲波測距系統(tǒng)工作模式的選擇、數(shù)據(jù)的傳輸，以及計(jì)算都是由單片機(jī)內(nèi)部程序完成的。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心工作是對TDC-GP21芯片進(jìn)行控制。軟件編程的操作主要有兩個(gè)步驟，分別是寫寄存器的配置和初始化，以確定TDC-GP21的工作模式和寄存器的讀取工作。首先對TDC-GP21進(jìn)行寄存器配置，設(shè)置測量范圍和每個(gè)通道的采樣次數(shù)，定義ALU的計(jì)算方法;然后初始化 TDC-GP21、選通START和STOP通道，TDC-GP21進(jìn)入測量狀態(tài)，等待START和STOP信號;接收指令后進(jìn)行測量，測量完成后單片機(jī)讀取TDC-GP21測量數(shù)據(jù)。為了保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次進(jìn)行測量前，都需要對TDC-GP21進(jìn)行初始化。超聲波測距系統(tǒng)程序流程如圖3所示。

圖3 超聲波測距系統(tǒng)程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為保證測量結(jié)果的穩(wěn)定性，在測試時(shí)采用光滑硬質(zhì)表面作為反射面，測量結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波測距系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

經(jīng)測試系統(tǒng)在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中測距準(zhǔn)確。ATMEGA8單片機(jī)的低功耗、高運(yùn)算速度和專用TDC-GP21高精操作簡單、模擬逼真、結(jié)構(gòu)緊湊、模塊分明等特點(diǎn)，取得度計(jì)時(shí)芯片相結(jié)合，使系統(tǒng)功耗和體積都有所降低，整個(gè)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、精度高、軟件的升級和更新方便，滿足了現(xiàn)場高精度的測量要求。

［1］紀(jì)良文，蔣靜坪.機(jī)器人超聲測距數(shù)據(jù)的采集與處理［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2001(9):23-27.

［2］潘宗預(yù)，潘登.超聲波測距精度的探討［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，29(3):18-21.

［3］李茂山.超聲波測距原理及實(shí)踐技術(shù)［J］.實(shí)用測試技術(shù)，1994(1):12-20.

［4］李彬，李慶坤.基于溫度補(bǔ)償?shù)某暡y距設(shè)計(jì)［J］.計(jì)量技術(shù)，2007(7):12-14.

［5］馬潮，詹為前，耿德根.Atmega8原理與應(yīng)用手冊［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［6］孫杰，潘繼飛.高精度時(shí)間間隔測量方法綜述［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2007，15(2):145-148.

［7］張萬江，侯靜，韓大鵬.TDC-GP1在超聲波流量計(jì)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008(3):81-82.

［8］紀(jì)榮祎，趙長明，任學(xué)成，等.脈沖激光測距高精度計(jì)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2010(3):18-22.