基于无线超再生通信模块的超声波测距系统

 李广球，陈昌雄，李广灏，张  旭

 （桂林电子科技大学机电工程学院，广西  桂林  541004）

摘要：阐述了一种超声波与无线超再生通信模块相结合的测距系统，此系统采用收发分开的方法克服普通超声波测距系统测量范围小的缺点，具有较高的性价比，可以为自动引导车等提供较为精确的位置信息。

关键词：超声波测距；无线超再生；测量范围中图分类号：TP274+．53：TP273  

0  引言

 超声波作为一种特殊的声波，具有指向性强、在空气中传播速度较慢、传播时间容易测量的特点，广泛运用于液位和倒车等短距离测距中。目前的超声波测距一般采用回波一渡越时间测量法，即超声波发射器和接收器处于同一位置，发射器发射出超声波，超声波经物体反射后被超声波接收器接收，系统先测出超声波在发射器与物体之间的传播时间t，再由s=v t/2计算出发射器和物体之间的距离。然而，在利用此方法测距时由于超声波经过反射时会有大量能量损失，导致测量范围比较小，因此本文设计了一种将无线超再生通信模块与超声波收发结合、在同等发射功率条件下能测量更大范围的超声波测距系统。

1  超声波测距原理

 超声波发射器由共振板和压电晶片组成，当它的外加电信号频率等于压电晶片的固有频率时会产生共振，并带动共振板一起振动而产生超声波。系统中设计有两块板子，一块主板，一块从板。主板发射无线信号（下文称引导信号）后立即发射超声波，由于引导信号以光速传播，相对声速来说其传播时间可忽略不计，当从板检测到引导信号后启动计数器，待捕捉到超声波信号后停止计数器，此时计数器的值就是超声波在此距离内传播的时间t，距离为s= v t。在空气中超声波的传播速度主要受温度的影响，因此要对声速进行温度补偿，补偿后超声波的速度v= (331. 4+0. 61t)m／S。

2超声波测距系统硬件设计

 超声波测距系统主机硬件结构由单片机、无线超再生发射模块、NRF无线通信模块、超声波发射电路和温度测量电路组成；从机硬件结构由单片机、无线超再生接收模块、NRF无线通信模块和超声波接收电路组成。主板和从板结构框图分别如图1、图2所示。  

2.1  无线超再生模块的设计

 在超声波测距系统中将无线信号作为主板发射超声波的标志信号，本系统采用工作频率为315 MHz的无线超再生模块对无线信号进行发射和接收，它采用声表谐振器，SAW稳频，频率稳定度极高。发射模块设计增加了一只数据调制三极管，使其方便地与固定编码电路、单片机电路连接。接收模块采用LC振荡电路，内含放大整流，输出TTL电平，本系统接收模块的数据管脚与单片机的外部中断引脚连接。 

 图3为无线超再生接收模块无信号时的输出波形。图4为无线超再生通信模块一收一发模式下两模块数据管脚波形图，其中CH1通道为接收模块数据管脚波形图，CH2通道为发射模块数据管脚波形图，测试距离为50 cm。由图3、图4可以得出以下规律：

 (1)无信号时接收输出杂波。

 (2)有信号时，输出无线超再生发射模块送来的波形，但是最开始出现的数据受到干扰，图4中第1个数据位被杂波干扰。实验证明在两模块距离增大时接收模块的第2个数据位也受到干扰。

  (3)接收模块在信号接收完之后会出现一段输出低电平的时期，低电平的延续时间大概为100 ms，然后输出杂波。

  (4)当一次传输数据量比较大时，后几位的数据容易受到干扰。

  综上所述，要使无线超再生发射模块发射的引导信号被接收模块识别，引导信号不能发射单个脉冲，应该由引导码和识别码组成。引导信号波形图如图5所示，首先无线超再生发射模块先连续发射5个5 ms的脉冲作为引导码，然后发送14 ms的低电平和12 ms高电平组成的识别码，5个5 ms的方波可以保证接收模块能够完整地识别出识别码，本系统通过对识别码的时间检测来确认识别码，由于识别码的时间较长，而接收模块输出杂波的时间较短，同时输出14 ms低电平和12 ms高电平的概率很低，因此采用这样的识别码可以有效地避免误触发。大量实验表明，此引导信号可有效地消除外界的干扰，从而使从板能够准确地接收并识别数据。

 在空旷地和供电电源为5V的情况下，无线超再生通信模块的传输距离理论上可以达到100 m～200m，但实际上模块传输距离由于受到天线和收发环境的影响根本达不到理论值，因此根据模块的特性，最好垂直安装在电路板边缘，尽量远离周围器件，以免受到分布参数的影响。天线选用1／4波长天线，一般采用50 Ω单芯导线，本模块的工作频率是315 MHz，因此选取的长度为23 cm。安装天线时应尽量把天线拉直，并远离屏蔽、高压及有干扰源的地方。

2.2  超声波发射电路设计

 因振动频率为40 kHz的超声波在空气中的传播最佳，因此本系统选用TCT40-16系列的超声波探头，其工作频率为40 kHz，最大驱动电压为1）V。超声波发射电路如图6所示，由于单片机IO口驱动能力比较差，无法直接驱动换能器发送超声波，因此采用脉冲变压器增加电压增益以提高发射功率，R2、C3和D1组成D- R-C吸收电路来保证三极管Q1能够稳定地工作。

2.3  超声波接收电路设计

 超声波接收电路的作用是将超声波探头接收到的微弱信号放大、滤波和整形后输出台阶信号，提示单片机计算超声波在空气中的传播时间t。本系统中超声波接收电路采用红外线接收专用调制芯片CX20106A，该芯片常用于红外遥控接收器中，因红外遥控的载波频率为38 kHz与超声波频率40 kHz比较接近，且CX20106A内部设置的滤波器中心频率可由其5脚外接电阻调节，调节范围为30 kHz～60kHz，因此可作为超声波接收电路。超声波接收电路如图7所示，主板经超声波发射电路发出的超声波被从板超声波接收器检测到后送入CX20106A，经过芯片内部的前置放大器和限幅放大电路将信号调整到适当的幅值，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经过整形送到芯片的第7脚，第7脚和单片机的中断IO管脚相连，当接收到40 kHz的超声波信号时，输出端输出低电平，触发中断。

2.4  温度测量电路、液晶显示单元与NRF无线模块单元

 由于超声波在空气中的传播速度与温度有关，因此需要增加测温电路来校正温度带来的误差，温度测量电路采用1wire总线器件DS18820，该器件的测温精度可达到0. 012 50C。液晶显示采用5110液晶屏，可实现对测量数据的显示。由于从板测得的距离数据要回传到主板做显示使用，且无线超再生通信模块在传输大量数据过程中容易受到干扰，因此本系统中采用NRF24L01无线模块作为数据的传输，其具有功耗低、价格便宜的特点，传输距离可达到100 m～200 m，电路图从略。

3软件设计

 主板的单片机mega16先读取DS18820的温度值算出此温度下超声波的传播速度，再通过NRF无线模块发送一个准备命令给从板，从板接收到命令后进入准备接收引导信号的状态并通过NRF无线模块返回一个准备就绪的状态信号，主板接收到从板发送的状态信号后发射引导信号和超声波，等待从板回传数据，从板接收到引导信号后立即启动计数器，待超声波到来后停止计数器，然后通过NRF无线通信模块给主板回传时间数据，主板接收到回传数据后进行温度修正并显示出来。超声波测距系统时序图如图8所示，超声波从主板到从板传播时间即为t。主板与从板流程图分别如图9、图10所示。

4结论

 基于无线超再生模块的超声波测距系统采用收发分开的模式，克服了反射式超声波测距仪在反射时能量损耗造成测距量程小的缺点，实践验证该系统测量距离远大于10 m。本系统还可以将主板安装在智能小车上，并增加1块从板，使其构成超声波定位系统，为小车的路径规划提供位置信息。