基于超声波小型移动目标探测系统

2017-03-13杭州电子科技大学电子信息学院秦会斌

电子世界 2017年4期

杭州电子科技大学电子信息学院胡鹏秦会斌

基于超声波小型移动目标探测系统

杭州电子科技大学电子信息学院胡鹏秦会斌

为了工业中对非接触性移动物体的探测和报警需求，设计了基于AT89C52单片机作为微处理器的小型探测系统。该系统由微处理器、超声波发射电路、超声波接收电路、报警电路组成。阐述了该系统的工作原理，超声波发射电路和接收电路的设计，并且对其中一些参数进行了讨论。通过实验结果表明：系统在一定范围内实现了对移动物体的探测，具备稳定，可靠性高，成本低等优点。

超声波发射电路；超声波接收电路

0 引言

超声波探测是一种非接触式的探测方法。通常，非接触式探测有红外探测、超声波探测、激光探测、微波雷达探测等。超声波是一种频率高于20KHz的特殊声波，具有指向性好、能量衰减缓慢、对于烟尘、雾霾、光线暗等环境有较强的适应能力。由于超声波在不同的介质中的传播速度不同、超声波探测系统结构简单，易于实现，目前广泛应用于汽车的倒车雷达，工业自动控制、建筑施工工地的距离的测量和声呐探测等各个领域。然而，常见的的超声波测距仪的作用较短，一般小于或等于10m，从而限制了它在一些需要远距离探测中的使用。超声波探测的距离的远近不仅与超声波换能器的的性能有关，而且与超声波的驱动和接收电路的能量转化效率有关。本文主要研究一种高效率的得超声波转化收发电路，以增大超声波的探测距离。

1 系统的结构和工作原理

1.1 系统组成

超声波探测系统是由AT89C52单片机为主控制芯片，外围电路包括超声波发射电路、超声波接收电路[1]、报警电路以及测温电路。其中超声波接收电路包括前置放大电路、带通滤波器、对数放大器、缓冲放大电路。主控制芯片首先发出频率为40KHZ的方波信号，使超声波发射电路驱使超声波探头产生超声波信号，超声波在空气中传播，遇到障碍物会发生反射现象，经发射后由超声波接收电路接收，经放大、滤波、整形，最后进入单片机。系统框图如图1所示：机械能产生超声波向外发射，反过来，当超声波换能器处于接收状态下时，它可以将机械能转化为电能。超声波探测采用常用的回波探测法。其工作原理是超声波换能器想介质中发射一束超声波信号，超声波在介质中遇到障碍物会发生反射，产生超声波回波信号被换能器接收。若已知超声波在介质中的声速为c，第一个回波到达时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么就可以按式s=ct/2，计算换能器与目标之间的间距。

图1 系统框图

1.2 超声波探测工作原理

超声波探测从原理上可以分为两种，分别是共振式和脉冲反射式[2]。谐振频率高于20khz的声波，超声波为直线传播方式，频率越高，其绕射能力越弱，发射能力越强，利用超声波这一特性，可以制成超声波换能器。超声波换能器是一种能够将声能转化为电能，也能将电能转化为声能的一种装置。在换能器处于发射状态下，换能器在电脉冲的激励下将电能转化为

2 系统硬件设计

2.1 超声发射电路

工作原理：由AT89C52单片机的定时器产生频率约为40KHZ，占空比为50%的方波信号，激励压电换能器发射超声波。为了提高超声波信号的发送能力，让其可以传输的更远，需要对信号进行升压处理。单片机通过内部定时器产生脉冲信号经过三极管放大。脉冲变压器的作用是将经过三极管放大的弱电压信号转换为可以驱动超声波换能器的强电压信号。如图所示：单片机P1.0脚输出约40KHZ的方波信号，每次发射8个周期的脉冲信号，脉冲信号经过三极管Q1放大，放大后的脉冲信号经过带了中心抽头的脉冲变压器进一步放大，脉冲变压器可以提高超声波驱动电路的电压幅度，进而可以提高超声波换能器的发射功率，使超声波信号可以传输的更远，探测的范围更大[3]。电路如图2所示：

图2

在此电路中，所采用的三极管的型号是8550PNP型三极管，其主要作用是作为功率放大电路的元器件。电容C5的作用是为了维持电源的稳定，作为超声波发射电路的蓄能电容使用，当单片机输出不同的电平时，电容C5会进行充电和放电。电阻R4的作用是为了消除变压器原边产生的拖尾现象。

2.2 超声波接收电路

超声波接收电路包括前置放大电路、带通滤波器、缓冲放大器以及缓冲放大电路组成。

前置放大电路

超声波换能器接收到的回波信号是很微弱的，一般是mV数量级。这样弱信号是不能被单片机处理的，所以要对接收到的回波信号进行处理。由于超声波换能器的阻抗很高，所以在前置放大电路种要对电路高阻抗设计，所以这里采用同相比例放大作为前置放大电路，并且该前置放大电路能够对回波信号进行一级放大作用，使回波信号能更好的被后面的电路处理[4]。电路如图3所示：

图3

2．2．1 带通滤波器

超声波在传播的过程中会有噪声的干扰，噪声主要来源于20KHz一下的声源，所以在超声波接收电路中要对接收到的回波信号进行去噪。带通滤波器能够允许特定一频带内的信号通过，而对于高于截至频率的信号和低于截至频率的信号起到抑制和衰减作用。带通滤波器能够去除无用信号的干扰，提取有用信号。带通滤波器的中心频率约为40KHz，带宽6khz，品质因数为6.7。换能器接收到回波信号进入前置放大电路，经前置放大后送入带通滤波器滤波处理。其中，NE5532是一款双运算放大器、高性能、低噪声的运算放大器。相比较其他的运算放大器可以表现出更好的噪声性能，具有更高的小信号带宽和电源带宽。电路如图4所示：

图4 有源带通滤波器

图5 对数放大器

2．2．2 对数放大器

超声波在空气中传播时会随着距离的增加而发生衰减。造成这种现象的原因是由于声波本身的扩散、反射以及散射等。回波信号的幅值会随着距离的增加而呈指数形式衰减，远距离的回波信号幅值会很小，而近距离的信号的幅值会很大，造成回波信号的动态范围比较大，不适于单片机的处理。为了使回波信号便于单片机接收，需要对回波信号的增益进行适当的控制，将信号的幅值压缩在一定的范围内。常用的压缩技术包括自动增益控制和对数放大器电路，这里采用对数放大器电路[6]。对数放大电路能够使输入信号与输出信号成对数关系。在电路中采用对数放大器AD8310作为增益控制电路。其中AD8310是8引脚的，可以实现DC到440MHz信号的解调对数放大输出，动态范围高达95dB。电路如图5所示。

3 软件程序设计

软件采用模块化设计，由主程序、T0中断服务子程序、T1外部中断服务子程序、AD转换子程序组成。主程序主要是完成系统的初始化工作以及调用T0中断服务子程序，AD转换子程序，查询T1外部中断服务子程序，同时调用报警子程序启动蜂鸣器。首先由单片机产生40KHz、占空比为0.5的脉冲信号，经过延时程序后启动单片机内部的AD转换，将返回的超声波回波信号的模拟电压信号转换成数字电压信号。将得到的数字电压信号送至中断程序，在中断程序中对采集到的电压信号与单片机的阈值电压相比较，如果采集的电压信号大于阈值电压，则产生中断，单片机检测到中断信号就可判断检测到回波信号。软件流程图如图6所示：