超聲測(cè)距原理

         超聲傳感器內(nèi)有一個(gè)頻率變換器，當(dāng)變換器元件振動(dòng)時(shí)，這個(gè)頻率變換器就會(huì)向一個(gè)方向發(fā)出聽(tīng)不見(jiàn)的高頻聲波。如果聲波碰到物體并反射回來(lái)，變換器即可接到回波信號(hào)。傳感器根據(jù)從發(fā)出超聲波脈沖到返回回波信號(hào)之間的時(shí)間來(lái)確定與物體之間的距離。
　　用于發(fā)射脈沖信號(hào)并檢測(cè)回波信號(hào)的硬件電路稱(chēng)為超聲傳感器。有兩種類(lèi)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(lèi)似于一個(gè)電容器，由固定極板和移動(dòng)極板組成。固定極板通常采用鋁，移動(dòng)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(lèi)似于一個(gè)絕緣層，當(dāng)信號(hào)(典型頻率為50kHz)作用在兩個(gè)極板時(shí)，金箔被吸向背板，產(chǎn)生超聲突發(fā)信號(hào)。

　　壓電型是利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生并測(cè)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(shí)，信號(hào)(通常為40kHz)激勵(lì)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(hào)?；夭ㄐ盘?hào)將使壓電材料震動(dòng)，產(chǎn)生信號(hào)輸出。

　　計(jì)算距離

　　距離計(jì)算非常簡(jiǎn)單，對(duì)于一個(gè)理想系統(tǒng)，一旦脈沖發(fā)射并檢測(cè)到回波后，即可利用下式計(jì)算距離。

　　距離=(傳輸時(shí)間×聲速)/2

　　但是，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)需要考慮延時(shí)偏差(零距離下系統(tǒng)的響應(yīng)延時(shí))，上述公式修改為：

　　距離=((傳輸時(shí)間–系統(tǒng)延時(shí)偏差)×聲速)/2

　　對(duì)應(yīng)于空氣溫度(Ta)的聲速(C)可以按照下式計(jì)算，單位為m/s。

　　C=331+0.606×Ta

　　步程計(jì)設(shè)計(jì)

　　為了構(gòu)建一個(gè)類(lèi)似于步程計(jì)的便攜系統(tǒng)，可以選擇MAXQ610等低功耗微控制器，以節(jié)省計(jì)算功耗——其工作在12MIPS時(shí)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(1.7～3.6V)，可在較長(zhǎng)的電池放電過(guò)程中支持系統(tǒng)供電（見(jiàn)圖1）。

　　產(chǎn)生超聲脈沖

　利用微控制器的紅外(IR)定時(shí)器可以產(chǎn)生超聲脈沖信號(hào)。定時(shí)器可以方便地編程脈沖頻率和持續(xù)時(shí)間(見(jiàn)圖2)。

　　IRTXPOL定義開(kāi)啟/空閑狀態(tài)和IRTX引腳的載波極性，IRDATA決定是否在下一個(gè)IRMT載波周期將載波發(fā)生器輸出送至IRTX引腳。IRDATA=1時(shí)，載波在下一個(gè)IRMT周期輸出到IRTX引腳；IRDATA=0，IRTX引腳在下一個(gè)IRMT周期為空閑狀態(tài)。

　　在步程計(jì)設(shè)計(jì)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(shí)器實(shí)現(xiàn)該功能。由555定時(shí)器構(gòu)成簡(jiǎn)單的振蕩器，振蕩頻率為40kHz，占空比為50%(見(jiàn)圖3)。555定時(shí)器輸出與超聲傳感器連接在一起。

圖3一種基于555定時(shí)器、簡(jiǎn)單的突發(fā)模式超聲發(fā)生器

　　處理接收到的回波信號(hào)

　　處理超聲接收脈沖的接收器結(jié)構(gòu)如圖4所示，可按照下列計(jì)算步驟確定元件值。

　　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的信號(hào)擺幅。

　　2、利用兩極運(yùn)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。

 　 ② 建立偏置電壓允許接收傳感器交流耦合至放大器，同時(shí)提供高通濾波。 

　　3、利用MAX4329中的另一路運(yùn)放構(gòu)建第2級(jí)反相放大器，由于第1級(jí)放大器和第2級(jí)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(jí)放大器輸出信號(hào)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(hào)。也可以利用MAX4329的第3個(gè)運(yùn)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(jì)算。

　　滯回電壓=VccR7/（R7+R8）=160mV，Vcc=6V。

　　5、直流偏置電壓設(shè)置為Vcc/2，電池放電時(shí)可以跟蹤電池電壓，始終保持動(dòng)態(tài)范圍，通過(guò)電阻分壓器得到該電壓。選擇電阻時(shí)需要注意，過(guò)小的電阻會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)電流過(guò)大，很快將電池能量耗盡；電阻過(guò)大時(shí)，會(huì)引入較大噪聲。

　　回波檢測(cè)與距離計(jì)算

　　一旦捕獲到回波信號(hào)，微控制器可以檢測(cè)脈沖信號(hào)并根據(jù)延時(shí)計(jì)算距離。檢測(cè)脈沖時(shí)，定時(shí)器B處于捕獲模式(見(jiàn)圖5)。

　　將EXENB設(shè)置為1使能定時(shí)器的捕獲功能，超聲接收機(jī)的輸出應(yīng)該送入定時(shí)器的TBB引腳，利用TBPS[2:0]位設(shè)置定時(shí)器的時(shí)鐘頻率。次IR中斷使能定時(shí)器，TBB引腳從1到0的跳變使定時(shí)器B的計(jì)數(shù)值(TBV)傳輸?shù)讲东@寄存器(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(dú)立的TX、RX傳感器時(shí)，微控制器的IR驅(qū)動(dòng)器連接到一個(gè)外部放大器，用于驅(qū)動(dòng)超聲TX。接收端，RX的超聲信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(通過(guò)放大器和比較器實(shí)現(xiàn))，然后將該信號(hào)送到微控制器的16位定時(shí)器輸入端(見(jiàn)圖6a)。共用同一傳感器時(shí)，利用變壓器提高輸出信號(hào)的幅度(見(jiàn)圖6b)。

圖6(a)使用獨(dú)立的TX和RX傳感器

圖6(b)單傳感器系統(tǒng)中