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《MCU應用專欄》

應用HT46R23微控制器 實現超音波測距模組

2008/1  陳源林/黃柏樵/王崇安
本文以HT46R23微控制器實現精密超音波測距模組的設計,並利用微控制器的I2C通訊功能將測得資料傳回主機,另搭配一顆電子式可清除程式化唯讀記憶體(EEPROM)用以記錄模組之位址(Address),此模組可由使用者設定位址編號(Address ID),同時可設定測距電路之Offset及Gain以適合各種場所使用。超音波發射訊號由HT46R23控制,接收訊號經LM833比較器檢波後由HT46R23檢出並計算出距離,經由資料處理後由LED顯示距離資料,並將資料經由I2C通訊功能回傳。
超音波應用廣泛  

整體來說,超音波的應用範圍,可歸納為下列幾項,第一為利用超音波進行探測,如聲納、魚群探勘、海底探勘、流速流量計、測距。第二是利用超音波於動力驅動,如超音波馬達。第三是利用超音波於訊號感測上,如超音波壓力感測、超音波膜厚感測、超音波加速度感測、超波震動感測。第四是利用超音波於工業加工,如超音波金屬焊接、超音波塑料焊接、超音洗淨機、超音波霧化器、超音波加溼器。最後是利用超音波於醫療設備,如超音波熱療、超音波影像掃描、超音波碎石機、超音波顯微鏡。本文著重於超音波測距的電路設計與軟體程式規畫同時以精密量測為目標,經實驗結果可獲得精密測距結果。  

超音波測距電路如圖1所示,本電路以HT7550-1穩壓晶片提供5伏特電源,並以HT46R23為核心,再搭配一顆EEPROM(AT93C46)以記錄模組之Address,此模組可經由S1、S2與S3設定Address ID,同時可設定測距電路的Offset及Gain。超音波發射訊號由HT46R23控制,接收訊號經LM833檢波後由HT46R23檢出並計算得出距離,經由資料處理後由LED顯示距離資料同時可將資料經由I2C通訊功能回傳主機。

圖1 精密超音波測距模組電路圖

超音波測距工作原理可由圖2的曲線說明,A曲線為時間衰減曲線,主要功能在測得超音波反射波到達時間,其除2再乘上音速可得到距離;B曲線為測得反射波波形圖,第一區之反射波為發射時之干擾音波,實務上須加以濾除,真正要測量者為第二區之反射波。

圖2 超音波測距工作原理分析圖(A=X1-Pin 3,B=X1-Pin 2)

本節將設計出的精密超音波測距模組依不同情形加以實驗,並確認其精確度。圖3為精密超音波測距模組測量前方20公分處的障礙物實驗結果,由LED顯示可以清楚看見,超音波測距模組可準確的測出前方障礙物距離為0.20公尺。

圖3 超音波測距模組實驗結果

接著針對精密超音波測距模組量測的角度影響分析。如圖4所示,當在角度=0度時,超音波測距模組距離障礙物為15公分,而測得結果亦為15公分。

圖4 角度=0度時,超音波測距模組角度測量實驗結果。

把超音波測距模組與障礙物角度調為15度時,可以看出超音波測距模組還是可以精確的偵測到距離約為16公分,如圖5所示。

圖5 角度=15度時,超音波測距模組角度測量實驗結果。

而把超音波測距模組與障礙物角度調為45度時,可以看出超音波測距模組開始無法正確將距離測出,如圖6所示,此乃反射波無法正確的被反射回來,故超音波測距模組有其使用角度上限制。接著把待測物改成水面,測試超音波測距模組對於液面是否也可以精確的測量?如圖7所示,將超音波測距模組放在26公分處,水面為16公分,可以看到超音波測距模組精準的顯示10公分距離,因此,對於液面也是可以精準測量。

圖6 角度=45度時,超音波測距模組角度測量實驗結果。

點圖放大
圖7 超音波測距測量液面距離

低成本HT46R23商機可期  

超音波測距已大量應用於日常生活中,本文為所設計之精密超音波測距模組已完成可商品化之電路設計與實驗,該產品可應用於一般倒車雷達、油箱液位的液面測量、自動門感測及自動感測水龍頭等用途,本文所提出的系統以HT46R23微控制器為核心可精確計算障礙物的距離且成本低廉,另HT46R23微控制器具備I2C通訊功能可即時將所測得資料回傳,未來應用潛能無限。  

(本文作者陳源林任教於明志科技大學機電工程研究所,黃柏樵、王崇安為該所研究生)

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