【摘要】超声波定位一被广泛的应用，其原理简单，实现起来比较容易。本文介绍的超声波测距系统是基于MAXQ7667作为控制器，设计发射，接收和温度补偿检测电路，再利用MAXQ7667自身的高信噪比及数字信号处理能力，设计出的有比较高精度的测距系统。
【关键词】MAXQ7667；超声波；温度补偿检测
1.引言
超声波是由机械振动产生的，可以在固，液，气等状态下的介质中以不同的速度传播。超声波具有定向性好、能量集中、反射能力较强等特点，且由于超声波检测技术具有不受光线影响、结构简单、成本低、信息处理可靠、易于小型化和集成化等优点，被广泛使用于移动物体定位及导航系统。在科技飞速发展的今日，超声波定位及导航技术应用于众多领域，例如交通管理，物流监控，安保防护，医疗诊断，恶劣环境监测，军事制导等领域均能见到超声波定位及导航技术的丰富应用案例[1]。本文应用基于Maxim公司的微控制器MAXQ7667进行了超声波测距系统的硬件设计，可用于一定距离内的高精度测距。
2.超声波测距原理
超声波的谐振频率一般高于20kHz，且为直线传播，频率越高，反射能力越强，而绕射能力越弱，因此在遇到障碍物的时候会发生反射，利用这一特性，在超声波测距中常常用发射和接收所用的时间换算成所要测量的距离，如图1所示。若假设介质中声波的传播速度为m/s，发射和接收的时间差为s，就可以算出发射点与反射点的距离m：
（1）
其中超声波在该介质中的传播速度，在固体中传播最快，在气体中传播最慢，且与温度有关[2]，所以如果环境变化显著，就不得不考虑温度补偿的问题。空气中声速与温度的关系可以表示为：
（2）
式中T为环境温度，单位为摄氏度（℃）。从上述式子可以看出，温度没变化1℃，风速大概就变化0.6m/s。在常温（25℃）下，忽略其他外界的干扰，传播速度大概为346.6m/s。所以在测距之前我们因先对温度进行检测，从而得到当时超声波在空气中传播的速度。
3.超声波测距系统硬件设计
3.1 MAXQ7667单片机
MAXQ7667是Maxim公司生产专门用于超声波检测的混合信号上系统控制器。该控制器被广泛的应用用于包括带有微弱输入信号的远距离测量或者多目标识别。其中集成了脉冲信号发生器和回声接收组件用来处理25kHz到100kHz之间的超声波信号。每组接收组件是由一个可编程增益低噪声放大器（LNA）、一个将接收到的回声信号数字化的16位sigma—delta ADC，以及数字信号处理器（DSP）组成。可编程锁相环（PLL）频率合成器为瞬时脉冲群发生器提供参考频率，并为回声接收器的数字滤波器提供时钟。MAXQ7667通过监控每个回声信号实现了智能传感，然后主动改变发送和接收参数，从而得到理想的结果。数字滤波器和瞬时脉冲合成不需要CPU的介入。这使得CPU能够全力应用于回声优化、通信、诊断信息和额外的噪声处理。
MAXQ7667的主要应用领域为汽车泊车、汽车安全、工业处理、自动化、手持式设备。MAXQ7667主要特性[3]：（1）智能模拟外设；（2）高性能、低功耗、16位RISC内核；（3）带48为存储器的16位*16位硬件乘法器，单时钟周期完成运算；（4）电源管理模式。则用MAXQ7667设计的最小系统如图2所示。
此最小系统主要包括MAXQ7667电源电路、复位电路、晶振电路、JTAG下载调试电路。
3.2 超声波的发射与接收电路设计
本文设计的超声波发射电路是基于MAXQ7667产生的低电压信号转换为可以驱动超声波发射传感器的高电压的电路，其中超声波发射传感器为圆柱体压电陶瓷传感器，驱动电压为400Vpp左右的交流电压，其频率为30～40kHz时发射超声波效率最高，如图3所示。电压转换电路是由六只三极管9013组成，如图4所示。则超声波发射驱动电路采用了变压比为20：120，EE30铁氧体骨架，最大导功率为60W的高频变压器，目标在于能够从副边得到一个幅值为400Vpp的交流电，如图5所示。
接收电路这是基于MAXQ7667的主设计的一个5路叠加调理信号接收器，接收传感器采用的是美国Senscomp公司生产的600系列仪表级静电式传感换能器，如图6所示。
3.3 温度补偿检测信号
温度检测采用DS18B20这款数字温度传感器。DS18B20使用的独特的单线接口方式，其测温范围为-55～+125℃，测量结果以9～12位数字量串行传送方式，测量温度分辨率可以达到0.0625℃，能够满足测距系统的要求。其硬件原理图如7所示。
3.4 数据传输显示
为了是系统更加灵活以及测距实时数据便于保存和传输，系统采用了RF24L01射频模块，将每次测量的数据实时的传输给连接PC机端口的射频模块，再经RS232口进行通讯，如图8，9所示。
4.实验数据分析
按照所编写的程序对所设计的超声波测距硬件进行试验。虽然在实际测量中，干扰信号较大，不过接收到的声波经过叠加放大后，仍然能够得到一个放大40倍左右的声波用来观察；当距离越近时，反射回来的信号进过放大后，峰峰值最高可达到数百毫伏，不过进比对可知距离越远幅值衰减越快，如图10所示。
5.结束语
从长远看来，超声波测距作为一种新型的测量工具将在人们的工作和生活的诸多方面有很大的发展。本文设计的系统结构简单、精度较高，且稳定性好，成本较低，但是在距离上有一定的限制，可以为室内定位的精准度提供一个可行且成本较低的测距方案。
参考文献
[1]陆蔺.超声波三维定位于跟踪系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2010.
[2]曹建海，路长厚，韩旭东.基于单片机的超声波液位测量系统[J].仪表技术与传感器，2004（1）：39-40.
[3]MAXQ7667数据手册.
[4]冯若.超声手册[M].南京：南京大学出版社，1999.
[5]王莹.高精度超声波测距仪的研究设计[D].北京：华北电力大学，2006.
[6]刘民.超声波测距仪的研制[D].湖北：湖北工业大学，2005.
[7]张小凤，尚志远.静电式超声检测换能器的设计[J].陕西师范大学学报，2001，29（4）：47-50.
[8]李广弟，朱月秀，王秀山.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.
作者简介：麦伟强（1982—），男，广东佛山人，佛山科学技术学院硕士，主要研究方向：嵌入式系统，计算机应用技术。
