基于ZigBee的無線高精度超聲波測距儀的設計

吳 楊（陜西工業職業技術學院 信息工程學院,陜西 咸陽 712000）

基于ZigBee的無線高精度超聲波測距儀的設計

吳 楊
（陜西工業職業技術學院 信息工程學院,陜西 咸陽 712000）

本系統使用超聲波來檢測到障礙物的距離，并將檢測結果通過ZigBee無線傳感網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射模塊、超聲波接受模塊、溫度補償模塊、ZigBee收發模塊、LCD顯示模塊幾部分組成；控制中心包括ZigBee收發模塊、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行實時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而實用的非接觸測量方法，經常用于距離的測量，在工程實踐中，超聲波由于指向性強、不受外界光及電磁場等因素的影響，且結構簡單，成本低，因此在工業控制等方面得到了廣泛的應用。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在測量精度要求更高的場合下的應用。為了提高測量精度，我們使用溫度補償電路，通過測量環境溫度，實時修改超聲波的聲速，從而使測量精度更高。此外，由于采用了無線數據傳輸模式，大大方便了測距模塊的使用便利性。

1 系統組成

本系統硬件電路由CC2530無線單片機模塊、ZigBee無線收發模塊、溫度補償電路、超聲波發射電路、超聲波接收電路、液晶顯示電路構成，如圖1所示。

圖1 系統框圖

系統具體工作過程如下，測量開始時，由CC2530產生一個控制信號，控制外圍電路產生40kHz的超聲波，經整形、功率放大后加到超聲波發射器，使其發射頻率為40kHz的超聲波脈沖，與此同時，CC2530啟動定時/計數器T0開始計數。超聲波碰到障礙物返回，由超聲波接收器接收，并經過信號放大、濾波、整形，產生一個脈沖信號，觸發CC2530定時/計數器T0輸入捕獲功能，根據捕獲計數值就可以換算出超聲波發射到返回所經歷的時間t。同時，由溫度傳感器DS18B20測得當前的環境溫度T，CC2530單片機根據當前溫度T得到超聲波的實際速度v，再根據測得的時間t得到 測距模塊和障礙物的距離d。最后，將距離d和當前溫度T顯示在測距模塊的液晶顯示屏上，同時，利用CC2530內置的ZigBee模塊，將d和T無線發送到控制中心的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，控制中心的PC發送的控制命令也是通過這種方式發送給超聲波測距模塊的。

2 超聲波收發電路設計

2.1 超聲波發射電路設計

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

圖2中，與非門74LS00的U1、U2、U3構成反饋式多諧振蕩器，通過調節電位器VR1，可產生40kHz的方波，單片機的控制信號由U4輸入，當單片機控制端輸出為“高”時，U4輸出40kHz的脈沖。為增大超聲波的發射功率，我們使用MAX232集成電路作為脈沖功率放大器來進一步提升發射功率，被放大的脈沖信號從MAX232的T2輸出端輸出，驅動超聲波發射器TCT40－16T，將超聲波發射到空氣中。經測試，本發射電路有效發射距離可達4.5米。

2.2 超聲波接收電路設計

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 超聲波發射電路

圖3 超聲波接收電路

接收頭采用與發射頭配對的超聲波接收器TCT40－16R，將反射的超聲波調制脈沖變為交變電壓信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后得到一個負脈沖送給單片機的外計數捕獲輸入端，以產生一個捕獲中斷。為了減少電路的復雜程度，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。當沒有接收到超聲波時，CX20106A第7腳輸出高電平，當接收到超聲波信號時，CX20106A第7腳跳變為低電平。實驗證明，此電路具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。

3 系統軟件設計

系統以CC2530單片機為核心，實現對各部分的控制和響應。測距軟件的基本流程：首先控制端口產生一個200us的正脈沖，使超聲波發射端產生8個周期40 KHz 的脈沖方波，同時計數/定時器T0計數器開始計數。如果在400us內有回波信號，則待回波進入接收電路，經放大、整形等處理后，進入單片機，由輸入捕獲模塊捕捉到回波的觸發信號，并記錄捕獲值；同時，DS18B20溫度傳感器測量環境溫度，通過查找事先建立好的聲速-溫度對照表得到當前聲速；并計算出障礙物的精確距離，并將結果通過ZigBee模塊發送給控制中心，然后進入低功耗的休眠模式。如果400us內沒有收到回波信號，則直接進入低功耗休眠模式。并由定時器每隔100ms喚醒重復一次上述測量過程。

4 結論

由于CC2530的定時器時鐘源頻率高達32MHz，因此大大提高了時間測量的分辨率。此外，使用輸入捕獲通道精準的記錄了超聲波回波到達的時刻，而不是等到進入中斷后才開始讀取當前計時器的值，從而大大的提高了計時的準確性。再加上通過測量環境溫度校正測量結果，從而獲得了滿意的測量精度。

[1]韋穗林,數字式超聲波測距儀的研制[J].電子設計工程,2009,17（10）:39-41.

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

[3]杜律,陳裕隆.遠程監護系統中ZigBee網關的設計[J].微計算機信息,2010（02）:87-88.

圖4 主程序流程