基于新型超声测距的精准对靶测控仪[1]

2011年第7期
仪表技术与传感器
Instrument
Technique
and
Sensor 2011No.7
基金项目：河北省科技攻关项目（05213552）
收稿日期：2011－03－31收修改稿日期：2011－05－09
基于新型超声测距的精准对靶测控仪
祁增慧
（河北建筑工程学院电气工程系，河北张家口075024）
摘要：提出了一种基于新型分离式直射超声测距的精准对靶测控仪设计方案。

方案中运用分离式超声发射和接收传感器实现快速测距，采用单片机实现测距精度的提高和对靶控制。

在软件设计中采用了嵌入式C 语言代码与汇编的混合编程技术，进一步增强了测距测控仪的稳定性。

测试结果表明：分离式直射超声测距法有效提高了测距速度和自动对靶精度，
系统能够很好地满足实用要求。

关键词：超声波；嵌入式；测距；对靶控制中图分类号：TP212.9
文献标识码：A
文章编号：1002－1841（2011）07－0026－02
Measuring and Control Device Based on Ultrasonic Wave Distance Measuring
QI Zeng-hui
（Electrical Engneer Department ，Hebei Institute of Architecture and Civil Engineering ，Zhangjiakou 075024，China ）Abstract ：In order to solve the disadvantages of target controller for the current seeder ，a new separation-based direct new tar-get control of the ultrasonic distance measurement instrument design was put forward．Separate type ultrasonic transmitter and re-ceiver sensors for fast location were used to measure．The single chip microcomputer was used to control and on target．In the soft-ware design ，the embedded code and compiled in mixed programming were used．The distance measuring control instrument for sta-bility is further enhanced．Test results showed that direct separation type ultrasonic ranging method to effectively improve the speed and range automatic target detecting precision ，system performance can be good to meet practical requirements．Key words ：ultrasonic wave ；embedded ；distance measuring ；target control 0
引言
超声波测距法具有非接触等优点，在很多测距系统中得到了广泛采用，但传统方法多为反射式测距，即超生发射装置和接收装置一体，通过发射装置发出超声波，超声波遇到目标后被反射回来，
被接收装置接收后再根据超声波传输时间来计算目标距离。

该类传统方法的精度因受多种因素影响而受到限制。

文中将分离式直射超声波测距法［1］
引入到了对靶测控过
程中，提出了一种新型的精准对靶测控仪设计方案，并以自动
化播种系统［2］
为例进行了测控仪的应用测试。

1
分离式直射超声测距［1］
原理
分离式直射超声测距采用时间差来计算距离，超声波在空气中的传播速度约为340m /s ，因此，只要测出其在空气中的传播时间，就能计算出其传播的距离。

因此，可得超声波测距算法如下：
d =ut
（1）
式中：u 为声波在大气中的传播速度；t 为声波从发射开始到被
接收装置接收到的时间差。

测控仪在实际测距时，电路中存在检波电路的检测延时等一些延时，考虑精度要求，这些因素必须予以消除。

消除延时时间的测距公式可表示为
d =u （t －t d ）
（2）式中t d 为延迟时间时间常量，可通过实验获得。

此外，声波在空气中的传播速度随环境温度的变化而变化，
所以在测控仪中增加了温度测量电路。

根据温度传感器得到的测量信号对声波的传播速度u 进行修正。

表1列出了几种不同温度下的声速数据。

表1
声速与温度的关系表
2
测控仪总体方案
该新型精准对靶测控仪的总体设计方案如图1所示。

从
大体上可将测控仪分为机械部分和控制电路2部分。

机械部分由对靶传动链、标靶杆等部件构成；电路部分由超声波发射电路、超声波接收电路、对靶控制电路以及主控MCU 等部分组成。

测控仪通过超声波发射和接收电路进行距离测量，通过对靶控制电路控制对靶马达双向转动进而通过对靶传动链带动对靶杆移动来实现精确对靶。

3
硬件电路设计
测控仪的硬件电路主要负责测距和对靶控制，其结构如图2所示，主要分为核心MCU 控制电路，超声波发射电路及其驱动电路、超声波接收放大电路及其电压转换电路，对靶马达及其驱动电路，数字测温电路等部分。

测温电路用于测量环境温度，对声波的传播速度u 进行修正，从而提高测距精度。

第7期祁增慧：基于新型超声测距的精准对靶测控仪
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3.1分离式超声直射波测距电路
分离式超声直射波测距电路的设计如图3所示。

图中的
D 1 D 5组成发射驱动电路用于驱动超声波发射头发射信号
［3］
；信号放大器和LM567锁相环检波电路［3］组成超声波接
收与信号变换电路，当LM567检测到输入端的信号频率等于设定频率时，
OUT 输出一个低电平。

两部分电路分别通过MCU 的P1．0和P1．1引脚连接。

图3
分离式超声直射波测距电路
3.2温度测量与对靶控制电路
温度测量与对靶控制电路如图4所示。

为提高测距精度，
基于单总线集成数字温度传感器DS18B20［4］
设计了环境温度
测量电路，
通过P2．1引脚连接到MCU．另外，图中的电阻R 3、R 4和三极管8550、8050共同构成了双向驱动电路，用于驱动对靶马达的正反方向运动，核心MCU 通过引脚P2．0实现对马达驱动电路的控制连接。

4
软件程序设计
测控仪的软件程序采用嵌入式C ［5］
和汇编语言编写，实现
了测距控制、距离计算以及对靶控制功能，其流程图如图5所示。

测控仪在加电复位后首先启动超声波发射电路发射测距信号，经过短暂延时后启动接收电路监测超声波信号的到来。

在收到信号的情况下对超声波的传送时间进行计算，进而换算出两端的距离，完成一次测距操作。

将距离的测量值与播种头
预定位置值加以比对，若播种头在预定位置则不作任何操作，若未在预定位置则启动对靶驱动电路，通过对靶马达带动播种
图4温度测量与对靶控制电路
杆和播种头移动并不断监测新位置，直到位置合适为止。

图5
测控仪的软件流程图
5
应用分析
新型基于超声测距的精准对靶测控仪样机已经在BZ01型自动播种系统上进行了近一年的试用，该系统基于双目立体视觉实现畦垄检测，通过文中测控仪来实现对靶控制。

试用期间，该测控仪表现出了良好的性能。

较传统方法而言，对靶精度提高了16.7%，对靶时间减少了11.8%。

6
结论
提出了一种新型的基于超声测距的精准对靶测控仪设计方案。

方案通过分离式直射超声波测距法测量播种杆与镂架
中心的距离，结合温度测量来提高精度；通过双向驱动电路驱动对靶马达实现高精度对靶。

测控仪的硬件基于嵌入式MCU 实现，软件程序基于C 语言和汇编编程实现。

应用情况表明，该测控仪精度高、响应时间短，实用价值高，应用前景广阔。

参考文献：
［1］米新江，丁中文．直射式超声测距法在塔机力矩仪中的应用．仪表
技术与传感器，
2010（8）：29－30．［2］赵丽清．精准播种自动控制系统的设计．农机化研究，2009，30
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［3］琚晓涛，谷立臣，闫小乐．基于LTC1609的高精度超声测距系统设
计．自动化与仪表，
2010（11）：14－17．［4］陈生翰，刘其洪，丁柱．单总线数字温度传感器DS18B20自动识别
的设计与实现．仪表技术与传感器，
2010（5）：16－18．［5］马登程．嵌入式C 语言编程［EB /OL ］．［2008－03－28］．http ：//
wenku．baidu．com /view /518e2820dd36a32d73758136．html．作者简介：祁增慧（1963—），副教授，硕士，主要研究方向：仪表技术、电
气自动化系统。

E-
mail ：hebeiqi@126．com。