基于MAXQ7667的超声波测距系统应用研究

基于MAXQ7667的超声波测距系统应用研究基于MAXQ7667的超声波测距系统应用研究1.引言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的间隔s，即：〔1〕3.硬件构成3.1MAXQ7667单片机3.2发射与接收电路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〔℃〕。为了进步温度检测的精度，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到达0.0625℃，可以满足测距系统的要求。3.4数据传输显示4.软件设计4.1主程序流程图图5为测距程序流程图，其中由于当目的很靠近换能器时，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，防止死区所引起的错误测量。4.2关键存放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：〔涉及到所需脉冲的频率〕〔涉及到所需脉冲的频率〕在检测声波的过程中，需要用到下面的设置：翻开低噪声放大器翻开ADC翻开锁相环，可用于设定脉冲的频率途径存放器，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，当间隔目的较近的时候，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。而间隔较远时，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，并且会随着间隔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，进而降低了本钱。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为被测目的与换能器的间隔，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，间隔在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，需要进步温度检测的精度，或者在多个不同的温度下进展修正，使得由温度引起的误差进一步减小。6.结论实验说明，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，为进步室内定位的精度提供了一个可行并且本钱较低的测距方案。参考文献[2]潘仲明,简盈,王跃科.大作用间隔超声波传感技术研究[J].传感技术学报,2022,19[3]买买提热夏提middot;买买提,亚森江middot;吾普尔,复尔开提middot;夏尔丁.浅谈空气中的声速与温度关系[J].物理实验,2022,27(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,2022.[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