２００８定 仪表技术与传感器 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ２００８ Ｎｏ．１１ 第１１期 基于ＣＰＬＤ的新型高精度超声波传感器测距系统研制 堵（１．南通大学电气工程学院，江苏南通俊 ，吴晓。，华亮 ２２６００７；２．浙江工业大学智能信息研究所，浙江杭州 ３１００３２） 摘要：利用单片机技术和ＥＤＡ技术各自的优点，提出了一种新颖的超声波传感器高精度测距系统设计方法。该方法 采用ＣＰＬＤ完成超声波的产生和发射、回波接收、超声传播时间测量、盲区处理，采用单片机完成系统启停控制、距离计 算、温度补偿和显示。文章完成了感测系统软硬件设计，并进行了详细的理论和实验研究。实验结果表明文中提出的设 计方法精度高、重复性好、可靠性高，具有较好的应用前景。 关键词：超声波传感器；测距；ＣＰＬＤ；单片机；盲区 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２００８）１１—０００８—０４ Ｎｏｖｅｌ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｄｉｓｔａｎｃｅ－ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｕｓｉｎｇ ＣＰＬＤ ＤＵ Ｊｕｎ。，ＷＵ Ｘｉａｏ ，ＨＵＡ Ｈａｎｇ ’ （１．Ｎａｎｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ ２２６００７，Ｃｈｉｎａ；２．Ｚｈ￣ｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｄｉｓｔａｎｃｅ—ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｕｓｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ａｎｄ ＥＤＡ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ ＣＰＬＤ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｕｈｒａｓｏｎｉｃ，ｒｅｃｅｉｖｅ ｅｃｈｏ，ｍｅａｓｕｒｅ ｔｒａｖｅｌ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｔｏ ｂｌｉｎｄ ｚｏｎｅ．Ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｒｔ ａｎｄ ｓｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｎｅｄ．Ｔｈｅ－ ｇｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｅ ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒｗａｒｄ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｅｆｆｉｅｉｅｎ－ ｃｙ，ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｂｅｔｔｅｒ ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｂｒｏａｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｎｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ；ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ＣＰＬＤ；ＳＣＭ；ｂｌｉｎｄ ｚｏｎｅ ０引言 一种新颖的超声测距系统，该系统以单片机为主控芯片，ＣＰＬＤ 超声波传感器是测距常用传感器之一。在利用高性能控 制器提高超声波测距精度方面，国内外进行了广泛研究。在超 声波测距系统中，系统接收信号的大小和质量直接取决于发射 传感器的驱动信号，由于传播距离的要求以及超声波空问衰减 现象…的存在，传感器的驱动电压一般为几十Ｖ到几百Ｖ ２ Ｊ。 对于应用系统来说，一般要求传感器频率为几万Ｈｚ以上甚至 上ＭＨｚ．传统的驱动控制电路采用模拟电路或单片机控制信 号，这往往难以达到与传感器频率非常匹配的驱动信号，从而 影响系统的接收信号的质量。２０００年西安理工大学杨媛等Ｅ３］ 研究了基于ＣＰＬＤ的超声波驱动控制电路；２００３年程万军等 ］ 采用ＣＰＬＤ作为超声波感测系统的驱动器，实现了液位的高精 度检测；２００４年文献［５］介绍了一种基于ＤＳＰ的超声波传感器 系统的构成、工作原理及误差分析，该系统在足球机器人中得 负责超声波的产生、发送和接收以及对超声波的传播时间进行 高速计数，并采用数字温度传感器进行温度补偿，实现了高精 度距离检测。 １测距系统总体设计 在设计测距电路时采用超声脉冲回波检测法 Ｊ。采用分 立式超声波探头（ＮＵ４０Ｃ１６ＴＲ一２）作为测距传感器，单片机采 用ＡＴ８９￥５１，ＣＰＬＤ采用ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４—１５。测距系统总体框 图如图１所示。单片机给ＣＰＬＤ发出启动指令，并从ＣＰＬＤ取 出数据。ＣＰＬＤ内部模块说明：模块①为发射控制模块，它接收 到单片机的命令后，启动发射信号产生模块和超声波传播时间 测量模块；模块②为发射信号产生模块，发出驱动脉冲驱动超 声波发射探头发出超声波；模块③为超声波传播时间测量模 块，采用ＣＰＬＤ的高速计数器实现对超声波传播时间的精确测 到了良好的应用；２００５年文献［６］采用嵌入式ＳＰＴ—Ｋ控制器 量；模块④为盲区处理模块，作用是延时接收回波信号，避开串 设计了具有信号发生及调理、测温、信号放大、监测、报警输出 等功能的超声波测距系统，该系统具有较高的精度，运行可靠； ２００６年河海大学刘永富等采用复杂可编程逻辑控制器，设计了 具有高精度、高抗干扰能力、响应速度快的超声波位移检测系 统 Ｊ。文中结合单片机技术和ＥＤＡ技术各自的优点，设计了 基金项目：南通市应用研究计划项目（Ｋ２００７０２３）；南通大学自然科学基 金项目（０７Ｚ０４７） 收稿日期：２００８－０６—０６收修改稿日期：２００８—０８—０７ 扰信号；模块⑤为回波信号检测处理模块，计算超声波传播时 间并通知单片机取数。 ２超声波发射驱动模块设计 ２．１驱动信号的产生 外加信号频率等于两压电晶片的固有振动频率时，将会发 生共振，采用的超声波传感器中心频率为４０ ｋＨｚ，因此在超声 波发射电路中，对ＣＰＬＤ的Ｉ／Ｏ口置高和置低，产生４０ ｋＨｚ脉 冲信号，输出到发射电路中。由于ＣＰＬＤ的Ｉ／Ｏ口使用时具有 第１１期 堵俊等：基于ＣＰＬＤ的新型高精度超声波传感器测距系统研制 ９ ４ ＣＰＬＤ模块设计 ４．１发射控制模块 作用是接收到单片机的命令后，启动发射信号产生模块和 启动超声波传播时间测量模块，封装模块如图３所示，图中ｓＴ 端口接收单片机的启动信号；ＲＳＴ为复位信号；ＢＥＧ端Ｅｌ锁存 单片机的开始脉冲并启动测距。仿真波形见图３。 图１分立式超声波传感器测距系统总体框图 一定的灌电流能力，而吸电流能力较小，所以用７４ＨＣ０４来提高 【 ｌ口０ｎｓ Ｎａｍｅ： Ｖａｌｕｅ：１ ００ ０ｎｓ ２００ ０ｎｓ ， ． 其输出电流的能力，保证４０ ｋＨｚ的脉冲信号有一定的功率。 ● 即 ＳＴ 口 。 ｌｌ ＣＰＬＤ产生周期为２５ ｓ的调制脉冲波，经过７４ＨＣ０４后在超声 即 ＲＳＴ 口 波传感器发射探头两端输入反向同频脉冲，可以增大超声波传 啊Ｐ ＢＥＧ 口 ｌ感器的发射功率。实验表明，每次只要发射３个脉冲，就可以 使超声波传感器工作。如发射脉冲波数太大，则发射能量增 图３发射控制模块及仿真波形图 大，超声波衰减速度变慢，多次折射返回信号可能会使接收探 ４．２发射信号产生模块设计 头误触发。而且发射脉冲数越多，串扰时间越长，测量盲区越 发射信号产生模块发射３个频率为４０ ｋＨｚ的脉冲。原理 大。因此采用３个发射脉冲。 图和仿真波形如图４所示。图中Ｃ２５６模块将品振提供的 由于设计的测量电路发射功率较弱，最远可稳定测距为 ２０ ＭＨｚ主频信号进行２５６分频（如图５所示），得到的近似８０ ５ ｍ，如需测量更远距离，可将单片机输出的调制波通过脉冲变 ｋＨｚ信号再二分频就得到４０ ｋＨｚ的脉冲，使超声波传感器的压 压器升压后驱动超声波探头 。 电晶片工作在最佳频率。 ２．２探头系统误差修正 因压电材料易碎，并因密封、阻抗匹配等要求，超声换能器 封装在探头外壳内，使压电材料与探头表面有一定距离，这样 会带来测量误差。采用如下方法测量：设压电材料与表面距离 为 ，将探头放在离探头距离固定的障碍物前测量，距离分别 为 、Ｌ：（Ｌ。≠ ）， 、 分别为超声波发射到接收的时间，则 １ １ Ｌｏ＝—ｌ叶 ＿ｃ（Ｔｌ＋ ）一 ～（厶 ｌ＋ ） 经过多次测量后取平均值，传感器 为４ ｍｍ． ３超声波接收模块设计 Ｎａｍｅ： Ｖａｌｕｅ １００ ０ｕｓ ２００ ０ｕｓ 超声波接收处理电路采用集成电路ＣＸ２０１０６ｌ１ｏ］，如图２所 啊 ２０Ｉｖ１Ｈｚ １０ ｍＯ－ＳＴＡ Ｊ Ｉ示。ＣＸ２０１０６接收到与其中心频率相符的超声波信号时，７脚 ０ Ｉ 输出低电平。 ■ ＲＳＴ Ｉ １ Ｉ －■ ＯＵＴ４０ＫＨＺｌ ０ 图４脉冲产生原理图及仿真波形 ｌ ！ ： Ｔ．． ｏ ！：ｉ竺 ：■■■—■■■■■■■＿：卯ｓ． ！！一一竺．巴！一．一． ： ！． ．． ｌ ｏｕｔｙ ｌ 厂——］厂——］ ｌ ｌｃｄ：４ｑｅ４ｉ ｒｌｌｄｄａ…ｔ［ｔａａ１７７ ０ｅｌ ｌ１ｌ Ｉｏ， Ｄ Ｄ １ｓ１６１＿６ ■■■硼——啊—圈—啊—瞳啊１■硼■硼●—啊啊啊■啊—啊■啊ｌ＿ ＿■ｌ■＿啊ｌ一 图５分频仿真波形 ４．３超声波传播时间测量模块设计 设计的测距系统有效检测距离为５ ｍ，超声波的传播速度 为３４４ ｍ／ｓ，有源晶振提供２０ ＭＨｚ的高频脉冲，则可计算出至 图２超声波接收电路原理图 多需要计算的脉冲个数，如式（１）所示。而２ ＜０．５８ ｘ １０ ＜ ２ ，则如采用ＣＰＬＤ内二进制高速同步计数器７４１６３进行传播 １０ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ ＮＯＶ．２（】０８ 时间测量，至少需要５片。取其中２片１６３计数器进行仿真，原 理图及仿真结果如图６所示。 １／ｆ２０：采用１６３计数器延时产生加窗信号来避开盲区。计数器 计数脉冲为８０ Ｋ，延时结束前即使接收模块接收到回波，传播 ０．５８×１０ （１） 时间测量模块也不工作。由式２可得要产生７００ Ｉｘｓ延时信号， ×１０。 。７４ｉ６３ Ｂ－即｝ Ｚ ０ ２０ＭＨＺ ０ ］几几几ｒ１ ｒ］厂］ｎ几几ｎ几几几几ｎ几几ｎ『 Ｉ－－ＲＳＴ １ ＲＥＯ ０ ｜．＿ＰｌＯ ０ Ｂ＇－ＤＬ ０ ●Ｑ７ Ｄ ●０６ ０ ●０５ 口 ●０４ ０ ．．．．．．．．．．．．．．．．． ●０３ ０ ———］广———一 ●０２ ０ ．．．．．．．Ｊ Ｉ．．．．．．．．．．．．． Ｉ．．．．．．．．．．．． ●Ｏ１ ０ ］厂］厂］厂］厂］ ｊ∞ ０ ｒ一］ｒ－］ｒ＿］ｒ．］ｒ＿］ｒ＿］ｒ＿］厂］ｒ＿１厂 ●ＯＵＴ４ＯＩ４＂［Ｚ ０ 图６超声波传播时间测量模块原理图及仿真结果 ４．４盲区处理模块设计 分立式超声波传感器盲区主要是由信号串扰引起 ，发射 信号未经反射就被接收探头感应到。示波器采集到的串扰信 号及有效信号如图７所示。因此在设计中必须给串扰信号加 上加窗信号，加窗信号实质就是盲区信号。 ｌ Ａｏｌ‘咏冲信号（３个脉冲波） ｒ ＩＬ ／ ｌ Ｌ Ｉ｜ ／Ｉ Ｉ 鲎ｆ－ ＼、＼审扰信号 有效触发 信粤 ■■■■■ ■■ ＊幽 嘲黼瞄趱 醚黼蝴 蝴蜷醯黜黼 缴黼皴 糍蝴 图７ ＣＸ２０１０６输出的串扰信号及有效信号 为留有一定的裕量，将盲区时设置为７００ ｓ，在不需要进 行很近距离测量时，将盲区设置大点可以提高系统可靠性。则 盲区距离为Ｌ＝３４４ Ｘ（０．０００ ７／２）＝０．１２０ ４ ｍ． 计数器需计数５６次。盲区处理模块原理图及仿真结果如图８ 所示。 ［１／（８０×１０ ）］×１０ 一 ７００ ５６ （２） ｝Ｉ ｊ： ｉ： ： ｉ：————— １ —。 — ．‘．－．・．・．・．・萱ｌ６ ００．０ｕｓ ７００．０ｕｓ ｅｎｄ １０ Ｉ 『 图８盲区处理模块原理图及仿真结果 ４．５回波信号检测处理模块设计 回波检测处理模块封装如图９所示，ＲＳＴ为复位信号，ＲＥ— ＣＥＩＶＥ端口接收回波脉冲；当ＲＥＣＥＩＶＥ端口出现脉冲上升沿 时，ＣＯＵＴ端口改变电平告知单片机并使传播时间测量模块停 止计数。仿真结果如图９所示，在７００ ｔｘｓ内即使ＲＥＣ端出现 回波脉冲，由于盲区处理模块作用，检测处理模块不动作。在 ７００ ｔｘｓ后ＲＥＣ端出现回波脉冲，检测处理模块使计数器停止 计数，并通知单片机取数。 ４．６ ＣＰＬＤ总体仿真 ＣＰＬＤ总体设计波形仿真如图ｌ０所示。 ５单片机模块设计 单片机通过ＣＰＬＤ控制测距启止，采集ＣＰＬＤ传播测量模 块数据并计算被测距离。由于超声波的速度易受环境温度影 响从而引起测距误差，采用数字式温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０＿ｌ 监测 现场温度，由单片机通过查表方式进行温度补偿，减少由于温 度引起的超声波传播速度的误差。 单片机Ｐ１口从ＣＰＬＤ取出超声波传播时间测量模块的数 据，取数采用分时方式进行。单片机程序流程图如图１１所示， 定义全局变量如下： ｓｂｉｔ ＡＡ＝Ｐ３１；／／低八位数据控制口 ｓｂｉｔ ＢＢ＝Ｐ３＾６；／／中八位数据控制口 ｓｂｉｔ ＣＣ：Ｐ２＾２；／／高八位数据控制口 第１１期 堵俊等：基于ＣＰＬＤ的新型高精度超声波传感器测距系统研制 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｄｉｓ；／／距离数据 ｕｎｓｉｎｇｅｄ ｌｏｎｇ ｓｕｍ；／／与超声波传播时间相对应的高频脉冲个数 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｌｏｗ；／／低八位数据存贮器 ｕｎｓｉｎｇｅｄ ｃｈａｒ ｍｉｄ；／／￣｝＼位数据存贮器 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｈａｒ ｈｉｇ；／／高八位数据存贮器 ｊ ： 图９ 回波信号检测处理模块及仿真波形 圈１０ ＣＰＬＤ总体仿真结果 图１１单片机测距流程图 ６结束语 在空旷地带将一块３ ｃｍ×３ ｃｍ的方形塑料板放在超声波 传感器正前方，超声波传感器可以稳定检测到最远障碍物的距 离为５ ｍ．在超声波可达范围物体内，移动测量范围左右边线的 夹角为７０。左右，则超声波传感器扩散角约为７０。，在空间形成 ７０。的类圆锥体状声波场（７０。是距离超声波传感器１ ＩＴＩ处的测 量值）。测量结果如表１所示。测量结果精度高，重复性非常 好，满足移动机器人对的障碍物物测量要求。 表１分立式超声波测量数据分析 根据超声波传播理论 ］，当障碍物的尺寸小于超声波波长 １ １ 的÷时，二 超声波将发生绕射；当障碍物尺寸大于波长的—｝时，二 才 能反射。采用的超声波传感器发射频率为４０ ｋＨｚ，相应半波长 为４．２５ ｍｍ，因此在理论上最小可以测得４．２５ ｍｍ的障碍物。 将２．５、２、１．５、１ ＯＩＴＩ 的塑料块作为障碍物进行试验，结果表明 １ ｏｍ 方形被测物传感器仍能稳定测量。 实验结果表明：设计的感测系统结构简单、精度高、重复性 好、可靠性高、成本低，该系统在移动机器人避障及导航中得到 了良好的应用。 参考文献： ［１］ 应崇福．超声学．北京：科学出版社，１９９０． ［２］王家桢，王俊杰．传感器与变送器．北京：清华大学出版社，１９９６． ［３］杨媛，高勇，马军，等．ＣＰＬＤ在超声波传感器驱动控制电路中的应 用．西安理工大学学报，２０００，２６（４）：３８１—３８３． ［４］ 程万胜，吴新军，刘军．用ＣＰＬＤ设计高精度超声液位检测系统． 传感器技术，２００３（３）：４２—４４． ［５］姚鹏程，李小坚，翁舟波，等．一种机器人超声波传感器系统．山西 电子技术，２００４（２）：２２—２４． ［６］蔡艳平，成曙，徐斌，等．基于嵌入式ＳＰＴ—Ｋ控制器的超声波测距 系统．测控技术，２００５，２４（３）：８２—８５． ［７］ 刘永富．基于超声与ＣＰＬＤ的高精度位移检测：［学位论文］．南 京：河海大学，２００６． ［８］ 罗本成，原魁，刘晋东，等．机器人多路超声波环境探测器的研制． 中国科学院研究生院学报，２００２，６（１９）：１７２—１７６． ［９］李郁峰．履带式移动机器人及其无线控制的实现：［学位论文］．太 原：太原理工大学，２００５． ［１０］吴银风，刘光聪．红外接收电路ＣＸ２０１０６的应用．电气时代，２００３ （９）：１１０—１１１． ［１１］ 田胜军，秦宣云，何永强．基于超声波测距系统的温度补偿电路 设计．微计算机信息，２００７，２３（５）：３０７—３０９． 作者简介：堵俊（１９５８一），副教授，主要从事信号检测、信号及系统分析 方面的研究及教学工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｕ．ｊ＠ｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
