基于ZigBee的無線高精度超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

吳 楊（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000）

基于ZigBee的無線高精度超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

吳 楊
（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 咸陽 712000）

本系統(tǒng)使用超聲波來檢測到障礙物的距離，并將檢測結(jié)果通過ZigBee無線傳感網(wǎng)傳送到控制中心并顯示處理。該裝置由超聲波測距模塊和控制中心兩部分組成。超聲波測距模塊包括超聲波發(fā)射模塊、超聲波接受模塊、溫度補(bǔ)償模塊、ZigBee收發(fā)模塊、LCD顯示模塊幾部分組成；控制中心包括ZigBee收發(fā)模塊、RS232串口通信模塊等。為了提高測量精度，測距模塊使用DS18B20溫度傳感器對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并校正超聲波的聲速。

CC2530;超聲波測距;ZigBee

0 引言

超聲波測距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測量方法，經(jīng)常用于距離的測量，在工程實(shí)踐中，超聲波由于指向性強(qiáng)、不受外界光及電磁場等因素的影響，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，因此在工業(yè)控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。但由于溫度對超聲波聲速的影響等原因，使得超聲波測距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測距系統(tǒng)在測量精度要求更高的場合下的應(yīng)用。為了提高測量精度，我們使用溫度補(bǔ)償電路，通過測量環(huán)境溫度，實(shí)時(shí)修改超聲波的聲速，從而使測量精度更高。此外，由于采用了無線數(shù)據(jù)傳輸模式，大大方便了測距模塊的使用便利性。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)硬件電路由CC2530無線單片機(jī)模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、液晶顯示電路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)具體工作過程如下，測量開始時(shí)，由CC2530產(chǎn)生一個(gè)控制信號，控制外圍電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，經(jīng)整形、功率放大后加到超聲波發(fā)射器，使其發(fā)射頻率為40kHz的超聲波脈沖，與此同時(shí)，CC2530啟動定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0開始計(jì)數(shù)。超聲波碰到障礙物返回，由超聲波接收器接收，并經(jīng)過信號放大、濾波、整形，產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號，觸發(fā)CC2530定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0輸入捕獲功能，根據(jù)捕獲計(jì)數(shù)值就可以換算出超聲波發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間t。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測得當(dāng)前的環(huán)境溫度T，CC2530單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前溫度T得到超聲波的實(shí)際速度v，再根據(jù)測得的時(shí)間t得到 測距模塊和障礙物的距離d。最后，將距離d和當(dāng)前溫度T顯示在測距模塊的液晶顯示屏上，同時(shí)，利用CC2530內(nèi)置的ZigBee模塊，將d和T無線發(fā)送到控制中心的ZigBee接收模塊中，再由控制中心ZigBee接收模塊通過RS232串口通信將d和T傳遞給控制中心的PC機(jī)，控制中心的PC發(fā)送的控制命令也是通過這種方式發(fā)送給超聲波測距模塊的。

2 超聲波收發(fā)電路設(shè)計(jì)

2.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本文中的超聲波模塊使用的是壓電式超聲波傳感器，發(fā)射頭型號為TCT40-16T，接收頭型號為TCT40-16R。超聲波發(fā)射電路由40kHz的超音頻振蕩器、功率放大電路和超聲波發(fā)射頭TCT40-16T等組成，組成的超聲波發(fā)射電路見圖2所示。

圖2中，與非門74LS00的U1、U2、U3構(gòu)成反饋式多諧振蕩器，通過調(diào)節(jié)電位器VR1，可產(chǎn)生40kHz的方波，單片機(jī)的控制信號由U4輸入，當(dāng)單片機(jī)控制端輸出為“高”時(shí)，U4輸出40kHz的脈沖。為增大超聲波的發(fā)射功率，我們使用MAX232集成電路作為脈沖功率放大器來進(jìn)一步提升發(fā)射功率，被放大的脈沖信號從MAX232的T2輸出端輸出，驅(qū)動超聲波發(fā)射器TCT40－16T，將超聲波發(fā)射到空氣中。經(jīng)測試，本發(fā)射電路有效發(fā)射距離可達(dá)4.5米。

2.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收電路由超聲波接收頭TCT40-16R、濾波放大電路、整形電路等組成，其電路原理圖如圖3所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路

圖3 超聲波接收電路

接收頭采用與發(fā)射頭配對的超聲波接收器TCT40－16R，將反射的超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的外計(jì)數(shù)捕獲輸入端，以產(chǎn)生一個(gè)捕獲中斷。為了減少電路的復(fù)雜程度，我們采用了紅外線檢波接收的專用集成電路CX20106A，這是一款常用于電視機(jī)紅外遙控接收器的接收芯片。由于紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz非常接近，因此可以利用它作為超聲波檢測電路。當(dāng)沒有接收到超聲波時(shí)，CX20106A第7腳輸出高電平，當(dāng)接收到超聲波信號時(shí)，CX20106A第7腳跳變?yōu)榈碗娖?。?shí)驗(yàn)證明，此電路具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以CC2530單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對各部分的控制和響應(yīng)。測距軟件的基本流程：首先控制端口產(chǎn)生一個(gè)200us的正脈沖，使超聲波發(fā)射端產(chǎn)生8個(gè)周期40 KHz 的脈沖方波，同時(shí)計(jì)數(shù)/定時(shí)器T0計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。如果在400us內(nèi)有回波信號，則待回波進(jìn)入接收電路，經(jīng)放大、整形等處理后，進(jìn)入單片機(jī)，由輸入捕獲模塊捕捉到回波的觸發(fā)信號，并記錄捕獲值；同時(shí)，DS18B20溫度傳感器測量環(huán)境溫度，通過查找事先建立好的聲速-溫度對照表得到當(dāng)前聲速；并計(jì)算出障礙物的精確距離，并將結(jié)果通過ZigBee模塊發(fā)送給控制中心，然后進(jìn)入低功耗的休眠模式。如果400us內(nèi)沒有收到回波信號，則直接進(jìn)入低功耗休眠模式。并由定時(shí)器每隔100ms喚醒重復(fù)一次上述測量過程。

4 結(jié)論

由于CC2530的定時(shí)器時(shí)鐘源頻率高達(dá)32MHz，因此大大提高了時(shí)間測量的分辨率。此外，使用輸入捕獲通道精準(zhǔn)的記錄了超聲波回波到達(dá)的時(shí)刻，而不是等到進(jìn)入中斷后才開始讀取當(dāng)前計(jì)時(shí)器的值，從而大大的提高了計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。再加上通過測量環(huán)境溫度校正測量結(jié)果，從而獲得了滿意的測量精度。

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[2]趙連玉,趙小強(qiáng).超聲波測距系統(tǒng)中的溫度補(bǔ)償[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2008（12）:62-64.

[3]杜律,陳裕隆.遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010（02）:87-88.

圖4 主程序流程