基于超聲波小型移動目標探測系統

杭州電子科技大學電子信息學院 胡 鵬 秦會斌

基于超聲波小型移動目標探測系統

杭州電子科技大學電子信息學院 胡 鵬 秦會斌

為了工業中對非接觸性移動物體的探測和報警需求，設計了基于AT89C52單片機作為微處理器的小型探測系統。該系統由微處理器、超聲波發射電路、超聲波接收電路、報警電路組成。闡述了該系統的工作原理，超聲波發射電路和接收電路的設計，并且對其中一些參數進行了討論。通過實驗結果表明：系統在一定范圍內實現了對移動物體的探測，具備穩定，可靠性高，成本低等優點。

超聲波發射電路；超聲波接收電路

0 引言

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、光線暗等環境有較強的適應能力。由于超聲波在不同的介質中的傳播速度不同、超聲波探測系統結構簡單，易于實現，目前廣泛應用于汽車的倒車雷達，工業自動控制、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距離探測中的使用。超聲波探測的距離的遠近不僅與超聲波換能器的的性能有關，而且與超聲波的驅動和接收電路的能量轉化效率有關。本文主要研究一種高效率的得超聲波轉化收發電路，以增大超聲波的探測距離。

1 系統的結構和工作原理

1.1 系統組成

超聲波探測系統是由AT89C52單片機為主控制芯片，外圍電路包括超聲波發射電路、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、對數放大器、緩沖放大電路。主控制芯片首先發出頻率為40KHZ的方波信號，使超聲波發射電路驅使超聲波探頭產生超聲波信號，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物會發生反射現象，經發射后由超聲波接收電路接收，經放大、濾波、整形，最后進入單片機。系統框圖如圖1所示：機械能產生超聲波向外發射，反過來，當超聲波換能器處于接收狀態下時，它可以將機械能轉化為電能。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中發射一束超聲波信號，超聲波在介質中遇到障礙物會發生反射，產生超聲波回波信號被換能器接收。若已知超聲波在介質中的聲速為c，第一個回波到達時刻與發射脈沖時刻的時間差為t，那么就可以按式s=ct/2，計算換能器與目標之間的間距。

圖1 系統框圖

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將聲能轉化為電能，也能將電能轉化為聲能的一種裝置。在換能器處于發射狀態下，換能器在電脈沖的激勵下將電能轉化為

2 系統硬件設計

2.1 超聲發射電路

工作原理：由AT89C52單片機的定時器產生頻率約為40KHZ，占空比為50%的方波信號，激勵壓電換能器發射超聲波。為了提高超聲波信號的發送能力，讓其可以傳輸的更遠，需要對信號進行升壓處理。單片機通過內部定時器產生脈沖信號經過三極管放大。脈沖變壓器的作用是將經過三極管放大的弱電壓信號轉換為可以驅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，每次發射8個周期的脈沖信號，脈沖信號經過三極管Q1放大，放大后的脈沖信號經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動電路的電壓幅度，進而可以提高超聲波換能器的發射功率，使超聲波信號可以傳輸的更遠，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定，作為超聲波發射電路的蓄能電容使用，當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生的拖尾現象。

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對回波信號進行一級放大作用，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，品質因數為6.7。換能器接收到回波信號進入前置放大電路，經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 對數放大器

2．2．2 對數放大器

超聲波在空氣中傳播時會隨著距離的增加而發生衰減。造成這種現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形式衰減，遠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的控制，將信號的幅值壓縮在一定的范圍內。常用的壓縮技術包括自動增益控制和對數放大器電路，這里采用對數放大器電路[6]。對數放大電路能夠使輸入信號與輸出信號成對數關系。在電路中采用對數放大器AD8310作為增益控制電路。其中AD8310是8引腳的，可以實現DC到440MHz信號的解調對數放大輸出，動態范圍高達95dB。電路如圖5所示。

3 軟件程序設計

軟件采用模塊化設計，由主程序、T0中斷服務子程序、T1外部中斷服務子程序、AD轉換子程序組成。主程序主要是完成系統的初始化工作以及調用T0中斷服務子程序，AD轉換子程序，查詢T1外部中斷服務子程序，同時調用報警子程序啟動蜂鳴器。首先由單片機產生40KHz、占空比為0.5的脈沖信號，經過延時程序后啟動單片機內部的AD轉換，將返回的超聲波回波信號的模擬電壓信號轉換成數字電壓信號。將得到的數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 系統軟件流程圖

4 結束語

本文設計了一種基于超聲波小型移動目標的探測系統，該系統由超聲波發射電路發射一系列的超聲波信號，超聲波信號在空氣中傳播經前方移動物體發生反射，超聲波接收電路接收到反射回的超聲波信號經過兩極信號放大電路和對數放大電路處理，單片機識別并發出預警信號。經過實驗測試，該系統的有效探測最大距離為18m。

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