超声波传感器(sense)调理电路(设计及仿真)

超声波传感器（sense）调理电路（设计及仿真）超声波指向性强、能量衰减慢、传播距离较远，而且不易受光照、电磁波等外界因素影响，其回波容易被检测出来，由于超声波具有这样的特性，它广泛被用于现代工业成产过程中，例如液位的测量、煤层的测厚、机器人定位、辅助视觉系统井深及管道长度测量等方面。超声波测距是一种非接触式的检测方式，对于处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下被测物的测试有一定的适应能力。1.1超声波测距原理与实践技术1.1.1超声波测距原理利用超声波测距是立足于声速在既定的均匀媒质里的传播速度是一定的，它不随声波频率变化由声波传播于A、B两地的时间来计算AB的距离，用下式表示（式中为待测两地的距离，为超声波在空气中的速度，为超声波由A地传播到B地所经历的时间）测距误差的计算公式为：其中——测距误差——声波传播速度——测量时间的误差——声速误差例如，若要求测距误差小于0.01米，已知声速=344米秒（室温），忽略声速误差，那么测量时间的误差秒，显然，欲直接用秒表测量时间，准确到十万分之三秒是做不到的。因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，才能够获得实用的数据。1.1.2实践技术——利用脉冲计数实现精确时间测量这种方法实际上是设立与声速相关的脉冲电信号，输入计数器。例如：设立频率为34.4kHz的脉冲信号，而每个脉冲时间为1/34400秒（假定声速为344米/秒）。显然，这样每一个脉冲同时拥有了时间特性和“等效短标尺”长度的特性，即，式中：——等效于声波标准尺度——声波传播速度——调制的脉冲频率如图1.1.2所示，欲测量A、B两点的间距，用超声波由A——B。此时，同时记录脉冲数，当在B地接收到超声波时，用超声波转换成电讯号，把记录脉冲数的计数门关闭。由计数器所记录的脉冲数N就可算出用“等效标准尺”计量A——B之间的距离。顾及S长度以及超声波超声波测距基本算式得那么利用记录脉冲N获得时间，其测量不确定度可表示为：若记录脉冲计数的准确度为个脉冲，用34.4kHz频率的脉冲，此时秒，由于每个脉冲相当于344/34400=0.01米，这样，可由显示器上直接显示出A、B间距。1.2超声波发射接收系统的几种方案方案一：利用LM567对接收信号鉴频的电路设计图一的优点在于：由于超声波频率较低，在所测量的距离比较远的时候，所能接收到的信号是很微弱的，需要对其进行放大，而放大的同时，也对干扰信号进行了放大，这就需要我们对有用的信号进行识别，提高整个系统的抗干扰能力。而锁相环路LM567对频率在500kHz以内的信号能实现鉴频，效果良好，并且具有体积小、价格低的优点。以下是LM567功能框图和鉴频电路。方案二：以单片机为核心控制器件的超声波测距系统设计方法方案二设计的整体框图如上图所示，系统主要由超声波发射、超声波接收与信号转换、按键显示电路与温度传感器电路组成。通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后求出距离，式中为超声波波速。再超声波的速度确定后，只要测得往返时间，即可求出距离。发射部分电路如图所示，主要由脉冲调制信号产生电路、隔离电路以及驱动电路三部分组成，用来为超声波传感器提供发送信号。脉冲调制信号产生电路中通过单片机对555定时器的复位端进行控制，使555定时器分时工作从而产生脉冲频率为40kHz,周期为30ms的脉冲调制信号。隔离电路由两个与非门组成，对输出级与脉冲产生电路之间进行隔离。加在TL084的双电源，能够保证超声波传送较远的距离，提高测量有效量程。超声波接收系统由放大电路、带通滤波电路、以及信号变换电路组成，发达电路和带通滤波电路如图所示。前面已经说过，超声波信号在空气中传播时会受到很大程度的衰减，所以放大电路是很有必要的，这里不多说。这里的前置放大电路是由集成运放组成的自举式同向交流放大电路，具有比较高的输入阻抗，C5、C4、C3为隔直电容，R3、R4、R6为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。带通滤波器电路采用的是二阶RC有源滤波电路，用于消除超声波传播过程中受到的干扰信号的影响。RV5和C8组成低通滤波网络，C7和R7组成高通滤波网络两者串联组成了带通滤波电路。信号变换电路的主要作用是将接收到的包络信号变换成单片机的中断触发信号。主要是由包络检波电路、电压比较器和触发器组成。原理图略方案三：带有温度补偿的以AT89C51为核心的超声波测距方案单片机P1.0发射40kHz的脉冲，P1.1控制DS18B20测温电路，P0负责向LED显示电路输送数据，P3.2，P3.3负责接收回波信号。a）超声波发射电路超声波发射电路如图所示。单片机P1.0口控制其是否工作，晶体管Q2、Q3组成强反馈式稳频振荡器，Q2集电极输出电压的微小变化，通过超声波发射探头反馈到Q3的基极，经过Q3放大后又加到Q2的基极做进一步放大，经过多次这样的循环形成振荡。探头将Q2的输出反馈到Q3的基极上，同时可将振荡器的振荡频率稳定在自身的固有频率上，作为稳频元件使用。超声波发射探头两端为40kHz的方波，推动超声探头产生40kHz的超声波。b）超声波接收电路超声波接收电路包括低通滤波电路、放大电路、两个比较整器形电路。电容C3过滤可能存在的残余直流电压，然后放大电路对微弱的超声波信号进行放大，最后通过带通滤波电路除去其他的干扰信号，放大滤波电路采用了高速精密运算放大器TL082。该方案中采用了两个比较整形电路，实验中设置比较器门限电压分别为0.3V和0.6V。当超声波传感器开始发射超声波时，单片机定时器T0和T1开始计时，当比较器1翻转时，T0停止计时，所对应的时间为t1；当比较器2翻转时，T1停止计时，所对应的时间为t2，显然t1t2，设t为回波前沿到来的时刻。超声回波是正弦信号，峰值1V~2V。t1,t2均在其前1T/4内，两者之差在(1/12~1/24)T范围内，常温下这段时间测距范围0.017~0.034mm，因此可把这段曲线看作直线处理，引起误差可忽略不计，因为用此方法计算回波时间t，比用一个比较器所得的时间，精度提高了不少。c）温度检测补偿超声波波速并不是恒定不变的，在空气中随温度的变化而变化，可表示为：，式中T——气体的摄氏温度℃。从上式不能看出，温度每提高1℃，速度约增加0.6m/s。假设忽略计时误差，在常温下测量3.4m的距离，要求误差小于0.001m，根据上式计算出来的结果显然已经远远超出了误差允许的范围。为了提高测量的精度，可用DS18B20单线式数字温度传感器的温度检测电路来进行温度补偿。电路比较简单，可直接将其DQ端与单片机P3.7口相连接。DS18B20温度测量范围为-55℃~125℃，具有可编程的9~12位转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，能够满足系统的要求。方案四、一种简易的超声波测距设计系统的硬件结构分为单片机控制超声波的发射、回波的接收放大、温度测量、数据处理四大部分。系统的整体框图如右图所示：a)超声波发射电路的设计在超声波测距系统中，40kHz的方波信号是最为理想的，因此利用555时基电路超声40kHz的方波信号，其振荡频率计算可用公式，这里的R2采用可调电阻，起目的是为了调节信号频率，使之与换能器的40kHz固有频率一致，这里的、、数值的选择通过仿真进行选取。555电路产生的方波经过CD4049调整，使超声波换能器发射超声波。通过单片机来控制超声波的发射，具体原理图如下。b)超声波接收系统电路的设计由于超声波的回波并不是很强，而且夹杂着一些干扰信号，次电路中将接收到的超声波信号先经过电容耦合，然后加到运算放大器NE5532上进行两级放大，采用NE5532不仅因为其频带宽，噪声低，还因为与同类的运算放大器相比，其共模抑制比较大，电源电压抑制比较小，输入偏置电压较小。同时，其工作性能较好，价格便宜，这里共放大了10000倍。后级采用LM311比较器对接收信号进行调整，比较电压输入为LM311的3管脚处，可通过调节滑动变阻器得到不同的比较电压。原理图如下c）温度补偿系统温度补偿系统和前面的三个方案比较相似，电路也很简单，这里不做介绍。方案五、综合设计方案该方案是在前面几个方案的基础上，取其精华，经过个人思考融合所得，主要是立足与现有的元器件，设计出项目需要的超声波发射和接收电路，系统整体框图如下图所示：a）超声波发射系统(文档尚未完成)作者:兰州大学信息科学与工程学院2008级通信工程一班----赵军伟