超聲波測距具有迅速,、方便、且計(jì)算簡單,，測量精度高等諸多特點(diǎn),，因此在倒車?yán)走_(dá)、測距儀,、移動(dòng)機(jī)器人和農(nóng)產(chǎn)品無損檢測等廣泛應(yīng)用,。聲納(Sonar)是聲音導(dǎo)航測距(Sound Navigation and Ranging)，廣泛用于對水下目標(biāo)進(jìn)行探測,、定位,、跟蹤、通信和導(dǎo)航等,。在此,，介紹采用SensComp公司600系列高靈敏聲納傳感器和SliconLabrary公司單片機(jī)C8051F040設(shè)計(jì)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)置有鍵盤和LCD人機(jī)操作界面,，可提供RS 232和控制器局域網(wǎng)(CAN)兩種總線輸出,，方便實(shí)際應(yīng)用。

　　1 聲納傳感器及測距原理

　　SensComp 600系列聲納傳感器實(shí)物照片如圖1所示,，它整合了6500測距模塊和600系列超聲波探頭,，探頭中心頻率50 kHz，具有極好的接收靈敏度,。觸發(fā)方式可選內(nèi)部觸發(fā)(觸發(fā)頻率5 Hz)或外部觸發(fā),，I／O接口均兼容TTL邏輯電平，正常工作電壓范圍為6～24 VDC,。與其他超聲波傳感器相比,，其聲波強(qiáng)度的中部明顯大于旁瓣的強(qiáng)度，波束角度15°,。

　　超聲波測距的原理是測出聲波從發(fā)射點(diǎn)至目標(biāo)物體往返傳輸所需的時(shí)間,，在一定環(huán)境下聲波的傳輸速率是不變的,。根據(jù)式(1)的超聲波測距數(shù)學(xué)式可測算得到距離。

　　式(1)中：D為聲波發(fā)射點(diǎn)與目標(biāo)物體的距離,，(單位為m),；t為聲波往返發(fā)射點(diǎn)和目標(biāo)物體的時(shí)間。式(2)中：c0為聲波,，在0℃時(shí),，空氣中的傳播速度為331．4 m／s；T為絕對溫度,。

　　SensComp 600系列聲納傳感器有兩個(gè)基本的操作模式：單回波模式和多回波模式,。在單回波模式下。輸入引腳INIT電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)傳感器觸發(fā)發(fā)送超聲波,，然后等待發(fā)送的聲波信號返回,，最后返回的信號被放大，并且在輸出引腳ECHO輸出高電平,。從引腳INIT變?yōu)楦唠娖降紼CHO跳變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)間即為聲波從傳感器至障礙物往返所用的時(shí)間,。若要重復(fù)測量只需按上述循環(huán)操作。多回波模式即一次觸發(fā)多次接收返回的聲波信號,。在此模式下,，當(dāng)收到返回信號后，將輸入引腳BLNK輸入持續(xù)長于0．44 ms的高電平即可將引腳ECHO變?yōu)榈碗娖?，接收到下一次回波信號時(shí)ECHO又將輸出高電平,。SensComp 600系列超聲波傳感器應(yīng)用于測距時(shí)采用單回波模式就能滿足要求。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　該測量系統(tǒng)采用美國SliconLabrary公司單片機(jī)C8051F040作中央處理器,。C8051Fxxx系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片,，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，可與MCS-51指令集完全兼容,。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外,，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F040采用高速,、流水線結(jié)構(gòu)CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS),，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x／805x的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)，具有強(qiáng)大的功能,。如100 kS／s的12位ADC,、控制器局域網(wǎng)控制器(CAN)，6個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列,、溫度傳感器,、可實(shí)現(xiàn)硬件的SPI，SMBus／I2C和兩個(gè)UART串行接口、64 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器等,。其片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源),、全速、在系統(tǒng)調(diào)試,，該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器,，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察點(diǎn),、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令,。在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行,。因此選用此單片機(jī)完全能滿足設(shè)計(jì)要求,。設(shè)計(jì)中運(yùn)用C8051F040的定時(shí)器捕捉功能檢測聲波傳輸時(shí)間，ADC采集片內(nèi)溫度傳感器對聲速校正,，并有鍵盤和LCD人機(jī)作操作界面,，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)相關(guān)設(shè)置，同時(shí)測量數(shù)據(jù)通過RS 232和控制器局域網(wǎng)(CAN)兩種總線輸出,。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。C8051F040具有6個(gè)定時(shí)器捕捉模塊，此硬件設(shè)計(jì)還能擴(kuò)展至少5個(gè)超聲波傳感器,，以實(shí)現(xiàn)更多功能。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件由主程序,、定時(shí)器2中斷程序以及PCA捕捉中斷程序組成,。主程序主要完成系統(tǒng)的初始化，并從FLASH讀入以前的設(shè)置參數(shù),。圖3(a)為定時(shí)器2中斷程序流程圖和PCA捕捉中斷程序流程圖,。定時(shí)器2中斷頻率為10 Hz，中斷中讀取按鍵值,、CAN總線輸入值和串口UART0輸入值,，若這些值與之前的設(shè)置不同，則將寫入FLASH中保存,。之后程序根據(jù)當(dāng)前的超聲波傳輸時(shí)間和環(huán)境溫度計(jì)算出此次測量距離,，并發(fā)送至CAN總線和UART0，且在LCD上顯示,。PCA捕捉中斷程序,，流程圖如圖3(b)所示，主要任務(wù)是完成超聲波傳輸時(shí)間檢測,，PCA設(shè)置為上升沿捕捉模式,。在超聲波傳感器引腳INIT上升沿起，PCA開始計(jì)時(shí)，當(dāng)PCA的引腳跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí),，即傳感器ECHO變?yōu)楦唠娖綍r(shí)計(jì)時(shí)結(jié)束,。若超過一定時(shí)間仍未收到回波，則放棄本次測量,，重新觸發(fā)下次測量,。

　　4 系統(tǒng)調(diào)試及精度測量試驗(yàn)

　　4．1 系統(tǒng)調(diào)試

　　調(diào)試采用Tektronix Tds3034B四通道彩色數(shù)字示波器中的兩個(gè)通道，檢測出傳感器INIT和ECHO兩引腳波形跳變,，如圖4所示,。可由兩電平跳變之間的時(shí)間與單片機(jī)檢測時(shí)間對比,，檢查捕捉計(jì)時(shí)程序是否準(zhǔn)確,。系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)由CAN總線發(fā)出，調(diào)試時(shí)通過USB轉(zhuǎn)CAN接口在電腦上接收到的數(shù)據(jù),，示波器檢測到CAN總線上波形,，如圖5所示。

　　4．2 測量精度試驗(yàn)

　　為標(biāo)定系統(tǒng)測量精度,，用200 cm×100 cm×2 cm硬平木板作障礙物進(jìn)行測量,，并用鋼卷尺測量實(shí)際距離。系統(tǒng)測量量程為15～1 070 cm,。在45～500 cm范圍內(nèi)進(jìn)行了誤差分析試驗(yàn),，其結(jié)果如圖6所示。由此可得測量系統(tǒng)的最大誤差為2．34 cm,，平均誤差為0．49 cm,。

　　5 結(jié) 語

　　在此，采用SensComp 600聲納傳感器和單片機(jī)C8051F040設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了聲納測距,，系統(tǒng)所需硬件少,，測量量程為15～1 070 cm。在45～500 cm范圍內(nèi),，最大誤差為2．34 cm,。系統(tǒng)除用于測距外，還可用于障礙物檢測,、傾斜角度測量,、車輛定位與導(dǎo)航和液位測量、農(nóng)業(yè)物料檢測等領(lǐng)域應(yīng)用,。 不足之處是單片機(jī)C8051F040功能非常多,，但在此系統(tǒng)中未充分應(yīng)用，因此還能利用C8051F040設(shè)計(jì)更多的功能,，來以擴(kuò)充該系統(tǒng),；此外,，該系統(tǒng)的測量誤差相對較大，可以在程序中進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)忍幚?，使系統(tǒng)測量精度更高,。