可精确测距的低成本超声子系统

作者：时间：2009-09-09来源：网络收藏

超声测距原理

超声传感器电路比较简单，在系统中负责发送超声脉冲流，然后采集回波信号。器件发出的脉冲信号在空气中传输，直到碰到一个目标物体并在此处产生反射回波。超声传感器通过检测这些回波，并计算出发射脉冲与接收脉冲之间的时间差，从而确定脉冲波形的传输距离。发射脉冲的频率范围为40～200kHz，多数情况下使用40～50kHz频率范围的脉冲。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/195736.htm

用于发射脉冲信号并检测回波信号的硬件电路称为超声传感器。有两种类型的超声传感器：静电超声传感器和压电超声传感器。静电型类似于一个电容器，由固定极板和移动极板组成。固定极板通常采用铝，移动极板则采用带有一层较薄镀金层的聚酰亚胺。聚酰亚胺的作用类似于一个绝缘层，当信号(典型频率为50kHz)作用在两个极板时，金箔被吸向背板，产生超声突发信号。

压电型是利用压电效应产生并测量超声脉冲。传感器将晶体或陶瓷材料黏接在金属壳或椎体上，发射脉冲时，信号(通常为40kHz)激励晶体，使压电材料扩张或收缩，从而产生超声突发信号。回波信号将使压电材料震动，产生信号输出。

计算距离

距离计算非常简单，对于一个理想系统，一旦脉冲发射并检测到回波后，即可利用下式计算距离。
距离=(传输时间×声速)/2

但是，实际应用系统需要考虑延时偏差(零距离下系统的响应延时)，上述公式修改为：
距离=((传输时间C系统延时偏差)×声速)/2

对应于空气温度(Ta)的声速(C)可以按照下式计算，单位为m/s。
C=331+0.606×Ta

另外，还需要考虑温度的测量精度。

步程计设计

为了构建一个类似于步程计的便携系统，可以选择MAXQ610等低功耗微控制器，以节省计算功耗――其工作在12MIPS时电流只有3.75mA――停止模式下仅消耗200nA电流。控制器能够工作在较宽的电压范围(1.7～3.6V)，可在较长的电池放电过程中支持系统供电（见图1）。

图1 用类似于MAXQ610的微控制器构建的系统

微控制器和辅助电路用于完成发送、接收超声脉冲的主要功能，脉冲发生器提供载频等于传感器谐振频率的突发式超声脉冲，回波检测电路用于检测反射信号。

许多应用中，发射和接收电路位于同一电路板，共用同一传感器。这种情况下，微控制器可以产生突发信号并处理接收到的回波。而在步程计中，发射器安装在一只脚上，接收器则安装在另一只脚上。这种情况下，需要单独提供产生突发脉冲的电路，而微控制器将处理收到的发射信号并计算距离。独立的发射电路利用555定时器即可实现，随后将详细介绍这部分电路。首先讨论微控制器是如何产生脉冲信号。

产生超声脉冲

利用微控制器的红外(IR)定时器可以产生超声脉冲信号。定时器可以方便地编程脉冲频率和持续时间(见图2)。红外时钟(IRCK)频率等于fSYS/2IRDIV[1:0]。其中，IRDIV[1:0]可以设置成1、2、4或8，IRCAH字节定义载波的高电平时间(按照IR输入时钟周期数定义)，而IRCAL字节定义载波的低电平时间。