自制超声波接收模块.doc

1、一、需求分析? 能在测距范围上弥补 GP2D12 的不足，将距离延伸到 80cm 以外；? 可以提供给大学生和爱好者 DIY，具有学习功能；? 方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥；? 成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。二、概要设计图 1 工作原理框图总体设计参照 SensComp 公司，框图中，单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生 40kHz 方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号。单片机此时开始计时。接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算出距

2、离值，保存等待读出或直接经 UART 送出。接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。核心器件为 STC12LE4052、TL852、16mm 超声波收、发器。采用 5V 供电，因为 5V 是最常见的工作电压，便于日后将传感器应用于装置中。为了减小干扰，选用了 3.3V 供电的单片机，使用目前常用的 1117-3.3 三端稳压器将 5V 降到 3.3V，减小电源扰动的影响，增加可靠性。下面分步介绍各个部分的电路原理。首先是超声波发首先是超声波发射部分。射部分。图中，Send_Ctrl、Cut_Off 端由 STC12LE4052 控制。此单片机的I/O

3、口可设置为推挽输出模式（这是经典 51 不具备的），拉电流、灌电流均可达 20mA，保证了 D882 有足够的驱动能力和快速的通断性能。变压器的次级电感与发射器（发射器为容性，一般为 2400p 左右）构成谐振回路，好处是提高了发射效率，但副作用是发射后的余波时间较长，导致近距离的回波被淹没。所以电路中设计了 2 种余波抑制电路。一个是 R6，通过增加谐振回路的损耗加速余波结束，这种方式不需要控制，但由于同时也消耗了发射的功率，所以阻值不能太小，导致衰减效果不明显（此部分读者可自行试验）。另一个电路由 R4、R5、P1 构成，由单片机控制，在发射完脉冲后将 P1 导通，强制短路变压器初级，快速

4、消耗掉谐振能量，达到消除余波的目的，电阻 R5 越小，效果越好，但带来的问题是：如控制失灵，会导致短路，烧坏 P1 或 N1。所以在电路中设计了一个跳线器，在软件没有调试好之前断开，避免无谓的损耗。变压器升压比设计为 20 倍，实际输出电压约为 50V 峰值。控制部分采用 MCU，如下图所示：图 3 单片机控制电路STC12LE4052 为一种改进型的 51 兼容单片机，指令集及主要架构与经典 51 相同，硬件资源略有增加：1) 增设了 2 通道 PCA（可编程计数器阵列），弥补了经典 51 定时器功能“ 偏弱”的缺陷。2) I/O 口改进为可设置方式，支持：51 准双向、高阻输入、OC 输出

5、、推挽输出 四种模式，简化了外部硬件设计。3) 硬件 SPI 接口，本设计中暂未使用，但 PCB 上引出了，有兴趣者可尝试之。4) 指令速度大大提高了，将原来的 12 时钟为一个机器周期改进为 2 3 个时钟周期，指令速度平均提高为原来的 8 倍左右。5) 计时时钟保留 12 分频模式，新增了 2 分频模式，提高了计时精度。后两点对于超声波测距应用有益，指令速度快可减少响应延时的不确定，计时精度高可提高分辨率。MCU 端口资源分配如下：P10 - P13 控制 TL852 增益，设置为 OC 输出，852 内部有上拉电阻（见图 5）P14 - P17 保留P30（RXD）、P31（TXD） U

6、ART 通讯P32（INT0） 接 SOUT 端，作为超声波发射时的 852 输出抑制，置为 OC 输出。P33（INT1 ） 超声波接收输入，设置为输入P34 产生超声波发射方波，设置为推挽输出模式P3.5 控制 P1，用于衰减余波，设置为 OC 输出模式P37 工作指示灯，设置为 OC 输出模式关于 P32 控制 SOUT 端的作用，请阅读 TL851 资料。图 4 接收回路和信号放大、检出电路这个电路是超声波测距的核心。因为产生波形和计时都容易解决，而准确的检测出回波信号才是决定传感器是否成功的关键。为便于理解上图，将 TL852 的内部原理框图列出：图 5 TL852 内部功能框图读者

7、可对照 TL852 数据手册分析其工作原理。从图中可以看出，图4 中的 R7、R8 为运放的输入、反馈电阻，通过改变两者比值可方便的改变灵敏度，故将 R7、R8 设计为直插器件。图 6 TL852 输出信号处理电路图 6 所示电路是为了将 TL852 的输出转换为单片机需要的中断信号，U4A 构成了一级同相跟随器，是为了隔离后级对 C14 积分电路的影响。U4B 构成一个比较器，理解此部分可参阅下面的 TL851 框图。图 7 TL851 内部功能框图图中，8 脚应接在 SOUT 上，1.2V 基准电压等效于图 6 中的 2 个1N4148 串联，因为硅 PN 结的正向压降为 0.6V。第 9

8、 脚 ECHO 输出相当于图 6 中的 U4B 的第 7 脚输出。BLNK、BINH 端子都是为了抑制发送时的信号，此部分在本设计中由单片机完成，单片机的P32 口置为 OC 输出，就是为了替代图中接在 8 脚和 3 脚之间的三极管，实现对积分电容 C14 放电，为测量做准备。如读者希望进一步了解这部分的工作原理，可对照 6500 模块的原理图和 TL851、TL852 数据手册仔细研读。三 器件选择和 PCB 设计单片机前面已说明。TL852 选用 SOP16 封装的，否则体积太大。运放 U4 选用 LMV358，SOP8 封装。LMV358 为低电压满幅输出运放，额定工作电压为 2.7 5

9、V，读者可对照 LM358 资料看两者的差别，因为单片机的工作电压为 3.3V，所以选用 LMV358，虽然成本略高，但性能得到保证。超声波收、发器选用 16mm 的，期望发射功率略大，测量距离可以远些。谐振频率为 40kHz，国内基本上都是此频率。因为超声波收、发器的电容值偏差较大，如读者希望精确匹配电感以提高性能，可能需要自己根据实测的电容量手工绕制，所以电感选用了 8X10 的工字磁芯，而变压器采用 EE16，体积都比较大，便于手工绕制；读者如需优化性能，或体验其影响，可尝试自己制作，从而更好的掌握超声波测距的原理，为日后设计正式产品打下基础。对外连接的端子采用 XH-4A 四芯插座，一

10、根电源、一根地线、2 根UART 收发线，这样可方便的与其它设备连接，既给传感器供电，又可与传感器通讯，获取数据。PCB 设计尺寸约为 42X43 mm，设置了 2 个安装孔，孔距和GP2D12 相同，便于替换原来使用 GP2D12 的场合。PCB 板图如下：因为考虑做好后的传感器要具备一定的使用价值，所以体积略有控制，使用了一些 SMD 器件，给焊接带来了难度，但对于学习者而言，也提供了一个锻炼机会，因为 SMD 器件越来越多，很多 MCU已无 DIP 封装。焊接包含 SMD 器件的 PCB 也并非不可为之。首先要有合适的工具，至少有尖头烙铁，30W 即可；尖头镊子，用于抓取小器件。此外最好使用细焊锡丝，我使用的是 0.3mm 的。