杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 胡 鵬 秦會(huì)斌

基于超聲波小型移動(dòng)目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)

杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 胡 鵬 秦會(huì)斌

為了工業(yè)中對(duì)非接觸性移動(dòng)物體的探測(cè)和報(bào)警需求，設(shè)計(jì)了基于AT89C52單片機(jī)作為微處理器的小型探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由微處理器、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、報(bào)警電路組成。闡述了該系統(tǒng)的工作原理，超聲波發(fā)射電路和接收電路的設(shè)計(jì)，并且對(duì)其中一些參數(shù)進(jìn)行了討論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)移動(dòng)物體的探測(cè)，具備穩(wěn)定，可靠性高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

超聲波發(fā)射電路；超聲波接收電路

0 引言

超聲波探測(cè)是一種非接觸式的探測(cè)方法。通常，非接觸式探測(cè)有紅外探測(cè)、超聲波探測(cè)、激光探測(cè)、微波雷達(dá)探測(cè)等。超聲波是一種頻率高于20KHz的特殊聲波，具有指向性好、能量衰減緩慢、對(duì)于煙塵、霧霾、光線(xiàn)暗等環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。由于超聲波在不同的介質(zhì)中的傳播速度不同、超聲波探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，目前廣泛應(yīng)用于汽車(chē)的倒車(chē)?yán)走_(dá)，工業(yè)自動(dòng)控制、建筑施工工地的距離的測(cè)量和聲吶探測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域。然而，常見(jiàn)的的超聲波測(cè)距儀的作用較短，一般小于或等于10m，從而限制了它在一些需要遠(yuǎn)距離探測(cè)中的使用。超聲波探測(cè)的距離的遠(yuǎn)近不僅與超聲波換能器的的性能有關(guān)，而且與超聲波的驅(qū)動(dòng)和接收電路的能量轉(zhuǎn)化效率有關(guān)。本文主要研究一種高效率的得超聲波轉(zhuǎn)化收發(fā)電路，以增大超聲波的探測(cè)距離。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

超聲波探測(cè)系統(tǒng)是由AT89C52單片機(jī)為主控制芯片，外圍電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路[1]、報(bào)警電路以及測(cè)溫電路。其中超聲波接收電路包括前置放大電路、帶通濾波器、對(duì)數(shù)放大器、緩沖放大電路。主控制芯片首先發(fā)出頻率為40KHZ的方波信號(hào)，使超聲波發(fā)射電路驅(qū)使超聲波探頭產(chǎn)生超聲波信號(hào)，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象，經(jīng)發(fā)射后由超聲波接收電路接收，經(jīng)放大、濾波、整形，最后進(jìn)入單片機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖1所示：機(jī)械能產(chǎn)生超聲波向外發(fā)射，反過(guò)來(lái)，當(dāng)超聲波換能器處于接收狀態(tài)下時(shí)，它可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。超聲波探測(cè)采用常用的回波探測(cè)法。其工作原理是超聲波換能器想介質(zhì)中發(fā)射一束超聲波信號(hào)，超聲波在介質(zhì)中遇到障礙物會(huì)發(fā)生反射，產(chǎn)生超聲波回波信號(hào)被換能器接收。若已知超聲波在介質(zhì)中的聲速為c，第一個(gè)回波到達(dá)時(shí)刻與發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)間差為t，那么就可以按式s=ct/2，計(jì)算換能器與目標(biāo)之間的間距。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 超聲波探測(cè)工作原理

超聲波探測(cè)從原理上可以分為兩種，分別是共振式和脈沖反射式[2]。諧振頻率高于20khz的聲波，超聲波為直線(xiàn)傳播方式，頻率越高，其繞射能力越弱，發(fā)射能力越強(qiáng)，利用超聲波這一特性，可以制成超聲波換能器。超聲波換能器是一種能夠?qū)⒙暷苻D(zhuǎn)化為電能，也能將電能轉(zhuǎn)化為聲能的一種裝置。在換能器處于發(fā)射狀態(tài)下，換能器在電脈沖的激勵(lì)下將電能轉(zhuǎn)化為

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲發(fā)射電路

工作原理：由AT89C52單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生頻率約為40KHZ，占空比為50%的方波信號(hào)，激勵(lì)壓電換能器發(fā)射超聲波。為了提高超聲波信號(hào)的發(fā)送能力，讓其可以傳輸?shù)母h(yuǎn)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行升壓處理。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大。脈沖變壓器的作用是將經(jīng)過(guò)三極管放大的弱電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的強(qiáng)電壓信號(hào)。如圖所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)P1.0腳輸出約40KHZ的方波信號(hào)，每次發(fā)射8個(gè)周期的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管Q1放大，放大后的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)帶了中心抽頭的脈沖變壓器進(jìn)一步放大，脈沖變壓器可以提高超聲波驅(qū)動(dòng)電路的電壓幅度，進(jìn)而可以提高超聲波換能器的發(fā)射功率，使超聲波信號(hào)可以傳輸?shù)母h(yuǎn)，探測(cè)的范圍更大[3]。電路如圖2所示：

圖2

在此電路中，所采用的三極管的型號(hào)是8550PNP型三極管，其主要作用是作為功率放大電路的元器件。電容C5的作用是為了維持電源的穩(wěn)定，作為超聲波發(fā)射電路的蓄能電容使用，當(dāng)單片機(jī)輸出不同的電平時(shí)，電容C5會(huì)進(jìn)行充電和放電。電阻R4的作用是為了消除變壓器原邊產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象。

2.2 超聲波接收電路

超聲波接收電路包括前置放大電路、帶通濾波器、緩沖放大器以及緩沖放大電路組成。

前置放大電路

超聲波換能器接收到的回波信號(hào)是很微弱的，一般是mV數(shù)量級(jí)。這樣弱信號(hào)是不能被單片機(jī)處理的，所以要對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行處理。由于超聲波換能器的阻抗很高，所以在前置放大電路種要對(duì)電路高阻抗設(shè)計(jì)，所以這里采用同相比例放大作為前置放大電路，并且該前置放大電路能夠?qū)夭ㄐ盘?hào)進(jìn)行一級(jí)放大作用，使回波信號(hào)能更好的被后面的電路處理[4]。電路如圖3所示：

圖3

2．2．1 帶通濾波器

超聲波在傳播的過(guò)程中會(huì)有噪聲的干擾，噪聲主要來(lái)源于20KHz一下的聲源，所以在超聲波接收電路中要對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行去噪。帶通濾波器能夠允許特定一頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而對(duì)于高于截至頻率的信號(hào)和低于截至頻率的信號(hào)起到抑制和衰減作用。帶通濾波器能夠去除無(wú)用信號(hào)的干擾，提取有用信號(hào)。帶通濾波器的中心頻率約為40KHz，帶寬6khz，品質(zhì)因數(shù)為6.7。換能器接收到回波信號(hào)進(jìn)入前置放大電路，經(jīng)前置放大后送入帶通濾波器濾波處理。其中，NE5532是一款雙運(yùn)算放大器、高性能、低噪聲的運(yùn)算放大器。相比較其他的運(yùn)算放大器可以表現(xiàn)出更好的噪聲性能，具有更高的小信號(hào)帶寬和電源帶寬。電路如圖4所示：

圖4 有源帶通濾波器

圖5 對(duì)數(shù)放大器

2．2．2 對(duì)數(shù)放大器

超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)隨著距離的增加而發(fā)生衰減。造成這種現(xiàn)象的原因是由于聲波本身的擴(kuò)散、反射以及散射等?；夭ㄐ盘?hào)的幅值會(huì)隨著距離的增加而呈指數(shù)形式衰減，遠(yuǎn)距離的回波信號(hào)幅值會(huì)很小，而近距離的信號(hào)的幅值會(huì)很大，造成回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍比較大，不適于單片機(jī)的處理。為了使回波信號(hào)便于單片機(jī)接收，需要對(duì)回波信號(hào)的增益進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，將信?hào)的幅值壓縮在一定的范圍內(nèi)。常用的壓縮技術(shù)包括自動(dòng)增益控制和對(duì)數(shù)放大器電路，這里采用對(duì)數(shù)放大器電路[6]。對(duì)數(shù)放大電路能夠使輸入信號(hào)與輸出信號(hào)成對(duì)數(shù)關(guān)系。在電路中采用對(duì)數(shù)放大器AD8310作為增益控制電路。其中AD8310是8引腳的，可以實(shí)現(xiàn)DC到440MHz信號(hào)的解調(diào)對(duì)數(shù)放大輸出，動(dòng)態(tài)范圍高達(dá)95dB。電路如圖5所示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、T0中斷服務(wù)子程序、T1外部中斷服務(wù)子程序、AD轉(zhuǎn)換子程序組成。主程序主要是完成系統(tǒng)的初始化工作以及調(diào)用T0中斷服務(wù)子程序，AD轉(zhuǎn)換子程序，查詢(xún)T1外部中斷服務(wù)子程序，同時(shí)調(diào)用報(bào)警子程序啟動(dòng)蜂鳴器。首先由單片機(jī)產(chǎn)生40KHz、占空比為0.5的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)延時(shí)程序后啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換，將返回的超聲波回波信號(hào)的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)。將得到的數(shù)字電壓信號(hào)送至中斷程序，在中斷程序中對(duì)采集到的電壓信號(hào)與單片機(jī)的閾值電壓相比較，如果采集的電壓信號(hào)大于閾值電壓，則產(chǎn)生中斷，單片機(jī)檢測(cè)到中斷信號(hào)就可判斷檢測(cè)到回波信號(hào)。軟件流程圖如圖6所示：

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波小型移動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由超聲波發(fā)射電路發(fā)射一系列的超聲波信號(hào)，超聲波信號(hào)在空氣中傳播經(jīng)前方移動(dòng)物體發(fā)生反射，超聲波接收電路接收到反射回的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)兩極信號(hào)放大電路和對(duì)數(shù)放大電路處理，單片機(jī)識(shí)別并發(fā)出預(yù)警信號(hào)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)的有效探測(cè)最大距離為18m。

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