可精確測(cè)距的低成本超聲子系統(tǒng)

超聲傳感器電路比較簡(jiǎn)單，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)發(fā)送超聲脈沖流，然后采集回波信號(hào)。器件發(fā)出的脈沖信號(hào)在空氣中傳輸，直到碰到一個(gè)目標(biāo)物體并在此處產(chǎn)生反射回波。超聲傳感器通過檢測(cè)這些回波，并計(jì)算出發(fā)射脈沖與接收脈沖之間的時(shí)間差，從而確定脈沖波形的傳輸距離。發(fā)射脈沖的頻率范圍為40～200kHz，多數(shù)情況下使用40～50kHz頻率范圍的脈沖。

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(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)。回波信號(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C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

另外，還需要考慮溫度的測(cè)量精度。

步程計(jì)設(shè)計(jì)

為了構(gòu)建一個(gè)類似于步程計(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。控制器能夠工作在較寬的電壓范圍(1.7～3.6V)，可在較長(zhǎng)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)

微控制器和輔助電路用于完成發(fā)送、接收超聲脈沖的主要功能，脈沖發(fā)生器提供載頻等于傳感器諧振頻率的突發(fā)式超聲脈沖，回波檢測(cè)電路用于檢測(cè)反射信號(hào)。

許多應(yīng)用中，發(fā)射和接收電路位于同一電路板，共用同一傳感器。這種情況下，微控制器可以產(chǎn)生突發(fā)信號(hào)并處理接收到的回波。而在步程計(jì)中，發(fā)射器安裝在一只腳上，接收器則安裝在另一只腳上。這種情況下，需要單獨(dú)提供產(chǎn)生突發(fā)脈沖的電路，而微控制器將處理收到的發(fā)射信號(hào)并計(jì)算距離。獨(dú)立的發(fā)射電路利用555定時(shí)器即可實(shí)現(xiàn)，隨后將詳細(xì)介紹這部分電路。首先討論微控制器是如何產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

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(見圖2)。紅外時(shí)鐘(IRCK)頻率等于fSYS/2IRDIV[1:0]。其中，IRDIV[1:0]可以設(shè)置成1、2、4或8，IRCAH字節(jié)定義載波的高電平時(shí)間(按照IR輸入時(shí)鐘周期數(shù)定義)，而IRCAL字節(jié)定義載波的低電平時(shí)間。

圖2 MAXQ610微控制器內(nèi)部的紅外模塊定時(shí)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(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)。

在本例的開始，設(shè)置IRDATA=0使能IR定時(shí)器，載波時(shí)鐘不會(huì)出現(xiàn)在IRTX引腳。當(dāng)IRV寄存器倒計(jì)數(shù)使IRV達(dá)到0時(shí)，設(shè)置IRDATA=1使載頻信號(hào)在下一載波時(shí)鐘輸出到IRTX引腳。同時(shí)，IRV寄存器重新裝載IRMT的數(shù)值。

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%(見圖3)。選擇40kHz頻率的主要原因是傳感器在該頻率處增益最大。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