杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 胡 鵬 秦會斌
基于超聲波小型移動目標(biāo)探測系統(tǒng)
杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 胡 鵬 秦會斌
為了工業(yè)中對非接觸性移動物體的探測和報警需求,設(shè)計了基于AT89C52單片機作為微處理器的小型探測系統(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,并且對其中一些參數(shù)進行了討論。通過實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)了對移動物體的探測,具備穩(wěn)定,可靠性高,成本低等優(yōu)點。
超聲波發(fā)射電路;超聲波接收電路
超聲波探測是一種非接觸式的探測方法。通常,非接觸式探測有紅外探測、超聲波探測、激光探測、微波雷達探測等。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、對于煙塵、霧霾、光線暗等環(huán)境有較強的適應(yīng)能力。由于超聲波在不同的介質(zhì)中的傳播速度不同、超聲波探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),目前廣泛應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_,工業(yè)自動控制、建筑施工工地的距離的測量和聲吶探測等各個領(lǐng)域。然而,常見的的超聲波測距儀的作用較短,一般小于或等于10m,從而限制了它在一些需要遠(yuǎn)距離探測中的使用。超聲波探測的距離的遠(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距離。
1.1 系統(tǒng)組成
超聲波探測系統(tǒng)是由AT89C52單片機為主控制芯片,外圍電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路[1]、報警電路以及測溫電路。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,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,超聲波在空氣中傳播,遇到障礙物會發(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,最后進入單片機。系統(tǒng)框圖如圖1所示:機械能產(chǎn)生超聲波向外發(fā)射,反過來,當(dāng)超聲波換能器處于接收狀態(tài)下時,它可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能。超聲波探測采用常用的回波探測法。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,超聲波在介質(zhì)中遇到障礙物會發(fā)生反射,產(chǎn)生超聲波回波信號被換能器接收。若已知超聲波在介質(zhì)中的聲速為c,第一個回波到達時刻與發(fā)射脈沖時刻的時間差為t,那么就可以按式s=ct/2,計算換能器與目標(biāo)之間的間距。
圖1 系統(tǒng)框圖
1.2 超聲波探測工作原理
超聲波探測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,超聲波為直線傳播方式,頻率越高,其繞射能力越弱,發(fā)射能力越強,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下將電能轉(zhuǎn)化為
2.1 超聲發(fā)射電路
工作原理:由AT89C52單片機的定時器產(chǎn)生頻率約為40KHZ,占空比為50%的方波信號,激勵壓電換能器發(fā)射超聲波。為了提高超聲波信號的發(fā)送能力,讓其可以傳輸?shù)母h(yuǎn),需要對信號進行升壓處理。單片機通過內(nèi)部定時器產(chǎn)生脈沖信號經(jīng)過三極管放大。脈沖變壓器的作用是將經(jīng)過三極管放大的弱電壓信號轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動超聲波換能器的強電壓信號。如圖所示:單片機P1.0腳輸出約40KHZ的方波信號,每次發(fā)射8個周期的脈沖信號,脈沖信號經(jīng)過三極管Q1放大,放大后的脈沖信號經(jīng)過帶了中心抽頭的脈沖變壓器進一步放大,脈沖變壓器可以提高超聲波驅(qū)動電路的電壓幅度,進而可以提高超聲波換能器的發(fā)射功率,使超聲波信號可以傳輸?shù)母h(yuǎn),探測的范圍更大[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)單片機輸出不同的電平時,電容C5會進行充電和放電。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是很微弱的,一般是mV數(shù)量級。這樣弱信號是不能被單片機處理的,所以要對接收到的回波信號進行處理。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電路高阻抗設(shè)計,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盘栠M行一級放大作用,使回波信號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
超聲波在傳播的過程中會有噪聲的干擾,噪聲主要來源于20KHz一下的聲源,所以在超聲波接收電路中要對接收到的回波信號進行去噪。帶通濾波器能夠允許特定一頻帶內(nèi)的信號通過,而對于高于截至頻率的信號和低于截至頻率的信號起到抑制和衰減作用。帶通濾波器能夠去除無用信號的干擾,提取有用信號。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進入前置放大電路,經(jīng)前置放大后送入帶通濾波器濾波處理。其中,NE5532是一款雙運算放大器、高性能、低噪聲的運算放大器。相比較其他的運算放大器可以表現(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 對數(shù)放大器
2.2.2 對數(shù)放大器
超聲波在空氣中傳播時會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散、反射以及散射等?;夭ㄐ盘柕姆禃S著距離的增加而呈指數(shù)形式衰減,遠(yuǎn)距離的回波信號幅值會很小,而近距離的信號的幅值會很大,造成回波信號的動態(tài)范圍比較大,不適于單片機的處理。為了使回波信號便于單片機接收,需要對回波信號的增益進行適當(dāng)?shù)目刂疲瑢⑿盘柕姆祲嚎s在一定的范圍內(nèi)。常用的壓縮技術(shù)包括自動增益控制和對數(shù)放大器電路,這里采用對數(shù)放大器電路[6]。對數(shù)放大電路能夠使輸入信號與輸出信號成對數(shù)關(guān)系。在電路中采用對數(shù)放大器AD8310作為增益控制電路。其中AD8310是8引腳的,可以實現(xiàn)DC到440MHz信號的解調(diào)對數(shù)放大輸出,動態(tài)范圍高達95dB。電路如圖5所示。
軟件采用模塊化設(shè)計,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T1外部中斷服務(wù)子程序,同時調(diào)用報警子程序啟動蜂鳴器。首先由單片機產(chǎn)生40KHz、占空比為0.5的脈沖信號,經(jīng)過延時程序后啟動單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換,將返回的超聲波回波信號的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號。將得到的數(shù)字電壓信號送至中斷程序,在中斷程序中對采集到的電壓信號與單片機的閾值電壓相比較,如果采集的電壓信號大于閾值電壓,則產(chǎn)生中斷,單片機檢測到中斷信號就可判斷檢測到回波信號。軟件流程圖如圖6所示:
圖6 系統(tǒng)軟件流程圖
本文設(shè)計了一種基于超聲波小型移動目標(biāo)的探測系統(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,超聲波信號在空氣中傳播經(jīng)前方移動物體發(fā)生反射,超聲波接收電路接收到反射回的超聲波信號經(jīng)過兩極信號放大電路和對數(shù)放大電路處理,單片機識別并發(fā)出預(yù)警信號。經(jīng)過實驗測試,該系統(tǒng)的有效探測最大距離為18m。
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