可測距的低成本超聲子系統(tǒng)設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 可測距的低成本超聲子系統(tǒng)設(shè)計 超聲測距原理 超聲傳感器內(nèi)有一個頻率變換器，當(dāng)變換器元件振動時，這個頻率變換器就會向一個方向發(fā)出聽不見的高頻聲波。如果聲波碰到物體并反射回來，變換器即可接到回波信號。傳感器根據(jù)從發(fā)出超聲波脈沖到返回回波信號之間的時間來確定與物體之間的距離。 用于發(fā)射脈沖信號并檢測回波信號的硬件電路稱為超聲傳感器。有兩種類型的超聲傳感器：靜電超聲傳感器和壓電超聲傳感器。靜電型類似于一個電容器，由固定極板和移動極板組成。固定極板通常采用鋁，移動極板則采用帶有一層較薄鍍金層的聚酰亞胺。聚酰亞胺的作用類似于一個絕緣層，當(dāng)信號(典型頻率為50kHz)作用在兩

2、個極板時，金箔被吸向背板，產(chǎn)生超聲突發(fā)信號。 壓電型是利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生并測量超聲脈沖。傳感器將晶體或陶瓷材料黏接在金屬殼或椎體上，發(fā)射脈沖時，信號(通常為40kHz)激勵晶體，使壓電材料擴(kuò)張或收縮，從而產(chǎn)生超聲突發(fā)信號?；夭ㄐ盘枌⑹箟弘姴牧险饎?，產(chǎn)生信號輸出。 計算距離 距離計算非常簡單，對于一個理想系統(tǒng)，一旦脈沖發(fā)射并檢測到回波后，即可利用下式計算距離。 距離=(傳輸時間聲速)/2 但是，實際應(yīng)用系統(tǒng)需要考慮延時偏差(零距離下系統(tǒng)的響應(yīng)延時)，上述公式修改為： 距離=(傳輸時間系統(tǒng)延時偏差)聲速)/2 對應(yīng)于空氣溫度(Ta)的聲速(C)可以按照下式計算，單位為m/s。 C=331+0.606

3、Ta 步程計設(shè)計 為了構(gòu)建一個類似于步程計的便攜系統(tǒng)，可以選擇MAXQ610等低功耗微控制器，以節(jié)省計算功耗其工作在12MIPS時電流只有3.75mA停止模式下僅消耗200nA電流?？刂破髂軌蚬ぷ髟谳^寬的電壓范圍(1.73.6V)，可在較長的電池放電過程中支持系統(tǒng)供電（見圖1）。 圖1用類似于MAXQ610的微控制器構(gòu)建的系統(tǒng) 產(chǎn)生超聲脈沖 利用微控制器的紅外(IR)定時器可以產(chǎn)生超聲脈沖信號。定時器可以方便地編程脈沖頻率和持續(xù)時間(見圖2)。 圖2MAXQ610微控制器內(nèi)部的紅外模塊定時器 IRTXPOL定義開啟/空閑狀態(tài)和IRTX引腳的載波極性，IRDATA決定是否在下一個IRMT載波周期

4、將載波發(fā)生器輸出送至IRTX引腳。IRDATA=1時，載波在下一個IRMT周期輸出到IRTX引腳；IRDATA=0，IRTX引腳在下一個IRMT周期為空閑狀態(tài)。 在步程計設(shè)計中，突發(fā)脈沖發(fā)生器位于發(fā)送傳感器中，可以利用555定時器實現(xiàn)該功能。由555定時器構(gòu)成簡單的振蕩器，振蕩頻率為40kHz，占空比為50%(見圖3)。555定時器輸出與超聲傳感器連接在一起。 圖3一種基于555定時器、簡單的突發(fā)模式超聲發(fā)生器 處理接收到的回波信號 處理超聲接收脈沖的接收器構(gòu)造如圖4所示，可按照以下計算步驟確定元件值。 圖4脈沖接收器構(gòu)造 1、確定增益，保證接收傳感器在指定發(fā)送傳感器和接收器條件下能夠提供足夠

5、的信號擺幅。 2、利用兩極運算放大器提供1000倍的增益，采用反相放大器以獲得較好的共模性能： 偏置電壓由同相放大器設(shè)置。 建立偏置電壓允許接收傳感器交流耦合至放大器，同時提供高通濾波。 3、利用MAX4329中的另一路運放構(gòu)建第2級反相放大器，由于第1級放大器和第2級放大器之間具有相同的直流偏置電平，兩極之間不需要交流耦合。 4、第2級放大器輸出信號必須足夠大，送入施密特觸發(fā)器后轉(zhuǎn)換成40kHz的方波信號。也可以利用MAX4329的第3個運算放大器構(gòu)建施密特觸發(fā)器，施密特觸發(fā)器的滯回電壓由下式計算。 滯回電壓=VccR7/（R7+R8）=160mV，Vcc=6V。 5、直流偏置電壓設(shè)置為Vc

6、c/2，電池放電時可以跟蹤電池電壓，始終保持動態(tài)范圍，通過電阻分壓器得到該電壓。選擇電阻時需要注意，過小的電阻會導(dǎo)致靜態(tài)電流過大，很快將電池能量耗盡；電阻過大時，會引入較大噪聲。 回波檢測與距離計算 一旦捕獲到回波信號，微控制器可以檢測脈沖信號并根據(jù)延時計算距離。檢測脈沖時，定時器B處于捕獲模式(見圖5)。 圖5微控制器中的定時器B 將EXENB設(shè)置為1使能定時器的捕獲功能，超聲接收機(jī)的輸出應(yīng)該送入定時器的TBB引腳，利用TBPS位設(shè)置定時器的時鐘頻率。次IR中斷使能定時器，TBB引腳從1到0的跳變使定時器B的計數(shù)值(TBV)傳輸?shù)讲东@存放器(TBR)并置位EXFB標(biāo)志。如果使能，EXFB標(biāo)志置位還可以產(chǎn)生中斷。 傳感器應(yīng)用電路 采用獨立的TX、RX傳感器時，微控制器的IR驅(qū)動器連接到一個外部放大器，用于驅(qū)動超聲TX。接收端，RX的超聲信號經(jīng)過放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(通過放大器和比