基于ZigBee的无线高精度超声波测距仪的设计

2015-07-27陕西工业职业技术学院信息工程学院陕西咸阳712000

山东工业技术 2015年16期

吴杨（陕西工业职业技术学院信息工程学院,陕西咸阳 712000）

吴杨
（陕西工业职业技术学院信息工程学院,陕西咸阳 712000）

本系统使用超声波来检测到障碍物的距离，并将检测结果通过ZigBee无线传感网传送到控制中心并显示处理。该装置由超声波测距模块和控制中心两部分组成。超声波测距模块包括超声波发射模块、超声波接受模块、温度补偿模块、ZigBee收发模块、LCD显示模块几部分组成；控制中心包括ZigBee收发模块、RS232串口通信模块等。为了提高测量精度，测距模块使用DS18B20温度传感器对温度进行实时测量并校正超声波的声速。

CC2530;超声波测距;ZigBee

0 引言

超声波测距是一种传统而实用的非接触测量方法，经常用于距离的测量，在工程实践中，超声波由于指向性强、不受外界光及电磁场等因素的影响，且结构简单，成本低，因此在工业控制等方面得到了广泛的应用。但由于温度对超声波声速的影响等原因，使得超声波测距的精度受到了很大的影响，限制了超声测距系统在测量精度要求更高的场合下的应用。为了提高测量精度，我们使用温度补偿电路，通过测量环境温度，实时修改超声波的声速，从而使测量精度更高。此外，由于采用了无线数据传输模式，大大方便了测距模块的使用便利性。

1 系统组成

本系统硬件电路由CC2530无线单片机模块、ZigBee无线收发模块、温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、液晶显示电路构成，如图1所示。

图1 系统框图

系统具体工作过程如下，测量开始时，由CC2530产生一个控制信号，控制外围电路产生40kHz的超声波，经整形、功率放大后加到超声波发射器，使其发射频率为40kHz的超声波脉冲，与此同时，CC2530启动定时/计数器T0开始计数。超声波碰到障碍物返回，由超声波接收器接收，并经过信号放大、滤波、整形，产生一个脉冲信号，触发CC2530定时/计数器T0输入捕获功能，根据捕获计数值就可以换算出超声波发射到返回所经历的时间t。同时，由温度传感器DS18B20测得当前的环境温度T，CC2530单片机根据当前温度T得到超声波的实际速度v，再根据测得的时间t得到测距模块和障碍物的距离d。最后，将距离d和当前温度T显示在测距模块的液晶显示屏上，同时，利用CC2530内置的ZigBee模块，将d和T无线发送到控制中心的ZigBee接收模块中，再由控制中心ZigBee接收模块通过RS232串口通信将d和T传递给控制中心的PC机，控制中心的PC发送的控制命令也是通过这种方式发送给超声波测距模块的。

2 超声波收发电路设计

2.1 超声波发射电路设计

本文中的超声波模块使用的是压电式超声波传感器，发射头型号为TCT40-16T，接收头型号为TCT40-16R。超声波发射电路由40kHz的超音频振荡器、功率放大电路和超声波发射头TCT40-16T等组成，组成的超声波发射电路见图2所示。

图2中，与非门74LS00的U1、U2、U3构成反馈式多谐振荡器，通过调节电位器VR1，可产生40kHz的方波，单片机的控制信号由U4输入，当单片机控制端输出为“高”时，U4输出40kHz的脉冲。为增大超声波的发射功率，我们使用MAX232集成电路作为脉冲功率放大器来进一步提升发射功率，被放大的脉冲信号从MAX232的T2输出端输出，驱动超声波发射器TCT40－16T，将超声波发射到空气中。经测试，本发射电路有效发射距离可达4.5米。

2.2 超声波接收电路设计

超声波接收电路由超声波接收头TCT40-16R、滤波放大电路、整形电路等组成，其电路原理图如图3所示。

图2 超声波发射电路

图3 超声波接收电路

接收头采用与发射头配对的超声波接收器TCT40－16R，将反射的超声波调制脉冲变为交变电压信号，并对此电信号进行放大、滤波、整形等处理后得到一个负脉冲送给单片机的外计数捕获输入端，以产生一个捕获中断。为了减少电路的复杂程度，我们采用了红外线检波接收的专用集成电路CX20106A，这是一款常用于电视机红外遥控接收器的接收芯片。由于红外遥控常用的载波频率38KHz与测距超声波频率40KHz非常接近，因此可以利用它作为超声波检测电路。当没有接收到超声波时，CX20106A第7脚输出高电平，当接收到超声波信号时，CX20106A第7脚跳变为低电平。实验证明，此电路具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。

3 系统软件设计

系统以CC2530单片机为核心，实现对各部分的控制和响应。测距软件的基本流程：首先控制端口产生一个200us的正脉冲，使超声波发射端产生8个周期40 KHz 的脉冲方波，同时计数/定时器T0计数器开始计数。如果在400us内有回波信号，则待回波进入接收电路，经放大、整形等处理后，进入单片机，由输入捕获模块捕捉到回波的触发信号，并记录捕获值；同时，DS18B20温度传感器测量环境温度，通过查找事先建立好的声速-温度对照表得到当前声速；并计算出障碍物的精确距离，并将结果通过ZigBee模块发送给控制中心，然后进入低功耗的休眠模式。如果400us内没有收到回波信号，则直接进入低功耗休眠模式。并由定时器每隔100ms唤醒重复一次上述测量过程。