超遠(yuǎn)距離超聲波模塊(適合自制)

1、一、需求分析 能在測(cè)距范圍上彌補(bǔ) GP2D12 的不足，將距離延伸到 80cm以外；可以提供給大學(xué)生和愛好者 DIY，具有學(xué)習(xí)功能； 方便自己隨時(shí)修改程序，使學(xué)習(xí)的作用得以充分發(fā)揮； 成品具有一定的使用價(jià)值，可方便的應(yīng)用于小車等需要測(cè)距的裝置上。二、概要設(shè)計(jì)圖1 工作原理框圖總體設(shè)計(jì)參照 SensComp公司，框圖中，單片機(jī)為核心控制部分，根據(jù)設(shè)定的工作方式，產(chǎn)生40kHz方波，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號(hào)。單片機(jī)此時(shí)開始計(jì)時(shí)。接收回路為諧振回路，將收到的微弱回波信號(hào)檢出，送信號(hào)放大電路放大，收到產(chǎn)生脈沖輸出送單片機(jī)中斷端，單片機(jī)收到中斷信號(hào)后停止計(jì)時(shí)，計(jì)算出距離值，保存等待讀出或

2、直接經(jīng)UART送出。接收過程中，單片機(jī)定時(shí)控制放大電路的增益，逐漸提高，以適應(yīng)距離越遠(yuǎn)越弱的回波信號(hào)。核心器件為STC12LE4052、TL852、16mm超聲波收、發(fā)器。采用5V供電，因?yàn)?V是最常見的工作電壓，便于日后將傳感器應(yīng)用于裝置中。為了減小干擾，選用了3.3V供電的單片機(jī)，使用目前常用的1117-3.3三端穩(wěn)壓器將5V降到3.3V，減小電源擾動(dòng)的影響，增加可靠性。下面分步介紹各個(gè)部分的電路原理。首先是超聲波發(fā)首先是超聲波發(fā)射部分。射部分。圖中，Send_Ctrl、Cut_Off端由STC12LE4052控制。此單片機(jī)的I/O口可設(shè)置為推挽輸出模式（這是經(jīng)典51不具備的），拉電流、灌

3、電流均可達(dá)20mA，保證了D882有足夠的驅(qū)動(dòng)能力和快速的通斷性能。變壓器的次級(jí)電感與發(fā)射器（發(fā)射器為容性，一般為2400p左右）構(gòu)成諧振回路，好處是提高了發(fā)射效率，但副作用是發(fā)射后的余波時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致近距離的回波被淹沒。所以電路中設(shè)計(jì)了2種余波抑制電路。一個(gè)是R6，通過增加諧振回路的損耗加速余波結(jié)束，這種方式不需要控制，但由于同時(shí)也消耗了發(fā)射的功率，所以阻值不能太小，導(dǎo)致衰減效果不明顯（此部分讀者可自行試驗(yàn)）。另一個(gè)電路由R4、R5、P1構(gòu)成，由單片機(jī)控制，在發(fā)射完脈沖后將P1導(dǎo)通，強(qiáng)制短路變壓器初級(jí)，快速消耗掉諧振能量，達(dá)到消除余波的目的，電阻R5越小，效果越好，但帶來的問題是：如控制失靈

4、，會(huì)導(dǎo)致短路，燒壞P1或N1。所以在電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)跳線器，在軟件沒有調(diào)試好之前斷開，避免無謂的損耗。變壓器升壓比設(shè)計(jì)為20倍，實(shí)際輸出電壓約為 50V峰值?？刂撇糠植捎肕CU，如下圖所示：圖 3 單片機(jī)控制電路STC12LE4052為一種改進(jìn)型的51兼容單片機(jī)，指令集及主要架構(gòu)與經(jīng)典51相同，硬件資源略有增加：1) 增設(shè)了2通道PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列），彌補(bǔ)了經(jīng)典51定時(shí)器功能“偏弱”的缺陷。2) I/O口改進(jìn)為可設(shè)置方式，支持：51準(zhǔn)雙向、高阻輸入、OC輸出、推挽輸出 四種模式，簡(jiǎn)化了外部硬件設(shè)計(jì)。3) 硬件SPI接口，本設(shè)計(jì)中暫未使用，但PCB上引出了，有興趣者可嘗試之。4) 指令速度

5、大大提高了，將原來的12時(shí)鐘為一個(gè)機(jī)器周期改進(jìn)為 2 3個(gè)時(shí)鐘周期，指令速度平均提高為原來的8倍左右。5) 計(jì)時(shí)時(shí)鐘保留12分頻模式，新增了2分頻模式，提高了計(jì)時(shí)精度。后兩點(diǎn)對(duì)于超聲波測(cè)距應(yīng)用有益，指令速度快可減少響應(yīng)延時(shí)的不確定，計(jì)時(shí)精度高可提高分辨率。MCU端口資源分配如下：P10 - P13 控制TL852增益，設(shè)置為OC輸出，852內(nèi)部有上拉電阻（見圖5）P14 - P17 保留P30（RXD）、P31（TXD） UART通訊P32（INT0） 接SOUT端，作為超聲波發(fā)射時(shí)的852輸出抑制，置為OC輸出。P33（INT1） 超聲波接收輸入，設(shè)置為輸入P34 產(chǎn)生超聲波發(fā)射方波，設(shè)置為

6、推挽輸出模式P3.5 控制P1，用于衰減余波，設(shè)置為OC輸出模式P37 工作指示燈，設(shè)置為OC輸出模式關(guān)于P32控制 SOUT端的作用，請(qǐng)閱讀TL851資料。圖 4 接收回路和信號(hào)放大、檢出電路這個(gè)電路是超聲波測(cè)距的核心。因?yàn)楫a(chǎn)生波形和計(jì)時(shí)都容易解決，而準(zhǔn)確的檢測(cè)出回波信號(hào)才是決定傳感器是否成功的關(guān)鍵。為便于理解上圖，將TL852 的內(nèi)部原理框圖列出：圖 5 TL852 內(nèi)部功能框圖讀者可對(duì)照TL852 數(shù)據(jù)手冊(cè)分析其工作原理。從圖中可以看出，圖4中的R7、R8為運(yùn)放的輸入、反饋電阻，通過改變兩者比值可方便的改變靈敏度，故將R7、R8設(shè)計(jì)為直插器件。圖6 TL852輸出信號(hào)處理電路圖6所示電路

7、是為了將TL852的輸出轉(zhuǎn)換為單片機(jī)需要的中斷信號(hào)，U4A構(gòu)成了一級(jí)同相跟隨器，是為了隔離后級(jí)對(duì)C14積分電路的影響。U4B構(gòu)成一個(gè)比較器，理解此部分可參閱下面的TL851框圖。圖 7 TL851內(nèi)部功能框圖圖中，8腳應(yīng)接在SOUT上，1.2V基準(zhǔn)電壓等效于圖6中的2個(gè)1N4148串聯(lián)，因?yàn)楣鑀N結(jié)的正向壓降為0.6V。第9腳ECHO輸出相當(dāng)于圖6中的U4B的第7腳輸出。BLNK、BINH端子都是為了抑制發(fā)送時(shí)的信號(hào)，此部分在本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)完成，單片機(jī)的P32口置為OC輸出，就是為了替代圖中接在8腳和3腳之間的三極管，實(shí)現(xiàn)對(duì)積分電容C14放電，為測(cè)量做準(zhǔn)備。如讀者希望進(jìn)一步了解這部分的工作原

8、理，可對(duì)照6500模塊的原理圖和TL851、TL852 數(shù)據(jù)手冊(cè)仔細(xì)研讀。三 器件選擇和PCB設(shè)計(jì)單片機(jī)前面已說明。TL852選用SOP16封裝的，否則體積太大。運(yùn)放U4 選用LMV358，SOP8封裝。LMV358為低電壓滿幅輸出運(yùn)放，額定工作電壓為2.7 5V，讀者可對(duì)照LM358資料看兩者的差別，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的工作電壓為3.3V，所以選用LMV358，雖然成本略高，但性能得到保證。超聲波收、發(fā)器選用16mm的，期望發(fā)射功率略大，測(cè)量距離可以遠(yuǎn)些。諧振頻率為40kHz，國(guó)內(nèi)基本上都是此頻率。因?yàn)槌暡ㄊ?、發(fā)器的電容值偏差較大，如讀者希望精確匹配電感以提高性能，可能需要自己根據(jù)實(shí)測(cè)的電容量手工

9、繞制，所以電感選用了8X10的工字磁芯，而變壓器采用EE16，體積都比較大，便于手工繞制；讀者如需優(yōu)化性能，或體驗(yàn)其影響，可嘗試自己制作，從而更好的掌握超聲波測(cè)距的原理，為日后設(shè)計(jì)正式產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。對(duì)外連接的端子采用XH-4A四芯插座，一根電源、一根地線、2根UART收發(fā)線，這樣可方便的與其它設(shè)備連接，既給傳感器供電，又可與傳感器通訊，獲取數(shù)據(jù)。PCB設(shè)計(jì)尺寸約為 42X43 mm，設(shè)置了2個(gè)安裝孔，孔距和GP2D12相同，便于替換原來使用GP2D12的場(chǎng)合。PCB板圖如下：因?yàn)榭紤]做好后的傳感器要具備一定的使用價(jià)值，所以體積略有控制，使用了一些SMD器件，給焊接帶來了難度，但對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，

10、也提供了一個(gè)鍛煉機(jī)會(huì)，因?yàn)镾MD器件越來越多，很多MCU已無DIP封裝。焊接包含SMD器件的PCB也并非不可為之。首先要有合適的工具，至少有尖頭烙鐵，30W即可；尖頭鑷子，用于抓取小器件。此外最好使用細(xì)焊錫絲，我使用的是0.3mm的。其次要注意焊接順序：先焊小的器件，本設(shè)計(jì)中為0603電阻、0805電容，之后焊接SOP的IC，最后再按器件的高度從矮到高依次焊接直插器件，體積較大的器件最后焊接，如本設(shè)計(jì)中的超聲波傳感器、變壓器等。焊接0603電阻、0805電容時(shí)，可嘗試以下方法：先將器件的一個(gè)焊盤上錫（注意：如有一個(gè)是接大面積地線的，先給這個(gè)上錫，因?yàn)榇竺娣e地線的散熱作用明顯，會(huì)給后續(xù)焊接帶來麻

11、煩?。喝缓笥眉忤囎幽米∑骷确旁跊]有焊錫的焊盤上，再用鑷子夾?。ㄟ@樣可保證器件貼著PCB）器件，同時(shí)用烙鐵熔化上好錫的焊盤，平推器件到焊錫中，注意：為了方便另一個(gè)焊盤的焊接，可適當(dāng)偏向已上錫的焊盤，為另一側(cè)焊盤留下較大的空間。焊好一端后，可參照我介紹過的焊接工藝：然后用免清洗的助焊劑略涂一些（如沒有，可嘗試用無水酒精，我沒用過，不知效果），用細(xì)焊錫絲逐腳焊接，方法和焊接直插器件類似，先放上烙鐵頭，略延時(shí)后將焊絲送上，只是時(shí)間稍短，錫不要給的太多，以免連焊！全部焊好后，可以用烙鐵尖點(diǎn)IC引腳的端頭，再次讓焊點(diǎn)熔化一次，使焊錫更好的將引腳和PCB連接。因?yàn)榭臻g問題，所以有幾個(gè)器件是放置在超聲波

12、收發(fā)器之下的，焊接時(shí)注意，將收發(fā)器焊的和變壓器一樣高即可，不要太低！ 兩個(gè)調(diào)整增益的電阻R7、R8、一個(gè)控制余波的限流電阻R5如覺得需要自己改變，以觀察效果，可焊接在反面。用于減弱余波的R6和初級(jí)的余波抑制電路兩部分選擇一個(gè)，建議選用初級(jí)的回波抑制電路，效果好一些，缺點(diǎn)是需要程序配合，且調(diào)試時(shí)如不慎會(huì)短路導(dǎo)致三極管損壞。如采用初級(jí)的余波抑制電路，建議在調(diào)試程序時(shí)將跳線器斷開，調(diào)好程序后再接上。等一切就緒后如考慮傳感器的可靠性，可將跳線器焊死。在線路上設(shè)計(jì)了2組匹配電容，C7、C8組是為了調(diào)整發(fā)射回路已達(dá)到諧振狀態(tài)的，C9、C10組是為了接收回路諧振的，需要通過測(cè)量使用的超聲波收發(fā)器電容值以及相

13、應(yīng)的電感、變壓器次級(jí)電感確定，因?yàn)槌暡ㄊ瞻l(fā)器的電容量差別較大，電感量也有些差異。一般情況下將C7、C9 短路即可，C8、C10不用處理（配套器材時(shí)會(huì)給出實(shí)際的值供參考，如有需要會(huì)附上匹配電容）。焊接完成如下圖：（注意圖中二極管的方向）雖然設(shè)計(jì)是用UART作為輸入、輸出的接口，但由于MCU的SPI沒有使用，所以在PCB上引出了（由于空間限制，比較勉強(qiáng)），如有特殊需要或想學(xué)習(xí)SPI的使用，也可將SPI口作為與傳感器交換數(shù)據(jù)的通道：5.2 調(diào)試調(diào)試分兩步進(jìn)行。首先是超聲波發(fā)射部分。先斷開跳線器，檢測(cè)單片機(jī)輸出的波形是否正確，測(cè)量R3接MCU端的信號(hào)，保證波形的頻率、占空比及脈沖的個(gè)數(shù)正確（符合你程

14、序控制的要求，目前的程序是發(fā)送 10個(gè)脈沖）：然后測(cè)試余波減弱控制信號(hào)（如果你選擇了初級(jí)余波減弱電路，并且在軟件上設(shè)計(jì)了），檢測(cè)R4接MCU的端子（設(shè)計(jì)欠考慮，沒有留測(cè)點(diǎn)），注意不要短路了！最好有雙通道的示波器，因?yàn)樾枰桶l(fā)送脈沖匹配，此信號(hào)應(yīng)該略延時(shí)于發(fā)送脈沖結(jié)束，我設(shè)計(jì)是約 28us（想想為什么圖中是接近 44us）：上述兩個(gè)MCU控制調(diào)試好后，可以將跳線器接上，看一下驅(qū)動(dòng)的波形和變壓器次級(jí)的輸出。驅(qū)動(dòng)波形測(cè)量D882 的C端，也就是跳線器上。次級(jí)波形可直接檢測(cè)超聲波發(fā)射器兩端。注意右側(cè)的波形，峰值電壓超過50V，所以你能夠聽到發(fā)射器發(fā)出的“啪啪”聲。如果有興趣，可以檢測(cè)一下有無余波消除的

15、差別，因?yàn)橐陀嗖刂菩盘?hào)同時(shí)觀察，所以用驅(qū)動(dòng)信號(hào)代替輸出，由于變壓器的偶合作用，信號(hào)是一樣的，只是幅值不同。注意，上圖中左側(cè)余波實(shí)際上遠(yuǎn)不止388us，由于變壓器的升壓作用，很小的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都可以產(chǎn)生接收器能感受的超聲波，因?yàn)槭铡l(fā)之間太近了！這樣將使得近距離的回波淹沒在余波中，導(dǎo)致測(cè)量范圍縮小。讀者可以改變R5的數(shù)值觀察一下右側(cè)的效果的變化。一個(gè)技巧：要想確定是否達(dá)到諧振狀態(tài)，可檢測(cè)沒有余波抑制時(shí)的余波信號(hào)，此時(shí)的頻率即為諧振頻率（圖中用余波抑制控制信號(hào)來指明后面的波不是由MCU產(chǎn)生的）。從上圖可以看出諧振頻率是 40kHz。至此，超聲波發(fā)送部分基本完成。超聲波接收部分硬件比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是軟

16、件上能控制好增益的變化，以及內(nèi)部計(jì)時(shí)。調(diào)試時(shí)首先檢測(cè)一下C12上的信號(hào)，此處為TL852 的第一級(jí)放大輸出，在信號(hào)較強(qiáng)時(shí)可以看到波形，以確定超聲波接收器及回路是否正常，至少能看到一組波，即發(fā)射時(shí)的信號(hào)，如果有比較近的物體，應(yīng)該可以看到接著有一組波形，此信號(hào)即回波。 接著看看4路增益控制有無變換，檢測(cè)MCU輸出給TL852的增益控制信號(hào)（其中三個(gè)連接有過孔，測(cè)量方便），而是否正確主要靠軟件邏輯的檢查，用波形來判斷有些困難。上圖為增益控制最低位GCA的波形，注意圖中光標(biāo)所示的時(shí)間，對(duì)照TL851資料，看看能否解釋清楚 : P確定增益控制有效后，檢測(cè)SOUT端（或者C14），可以看到輸出。注意：為了

17、消除自己發(fā)射時(shí)收到的信號(hào)干擾測(cè)量，在發(fā)射時(shí)用MCU控制了SOUT端，使之處于對(duì)地短路狀態(tài)（參見前述TL851的原理和說明），發(fā)射結(jié)束后釋放。之后在收到回波后，我設(shè)計(jì)的程序會(huì)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間決定是否再次短路SOUT輸出，以避免由于附近兩側(cè)的物體反射干擾。超聲波的發(fā)射、接收角度雖然號(hào)稱是60度，但那是指強(qiáng)度大于一定數(shù)值的信號(hào)，實(shí)際上放寬信號(hào)強(qiáng)度會(huì)更寬，所以很近的物體雖然在測(cè)量角度以外，也許會(huì)測(cè)到。這個(gè)功能在讀者設(shè)計(jì)程序時(shí)自己確定是否需要！此處只是作為參考。SOUT的輸出經(jīng)過比較器后變?yōu)樨?fù)跳脈沖，觸發(fā)MCU中斷，從而使MCU內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的計(jì)時(shí)，即可計(jì)算出距離了，這部分在軟件篇中討論。因?yàn)榍笆鎏幚矸绞?/p>

18、，中斷的波形可能會(huì)比較窄，不容易測(cè)到，需要使用示波器的信號(hào)觸發(fā)掃描功能。至此，硬件部分應(yīng)該算是調(diào)試結(jié)束了，而測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)主要取決于軟件的設(shè)計(jì)四 調(diào)試“花絮”現(xiàn)在DVD影碟都時(shí)髦附上拍攝花絮，將攝制過程中的一些“差錯(cuò)”匯總，以搏大家一笑。我也在此效仿一下，將調(diào)試中遇到的值得關(guān)注的問題整理與此，但不是為了搏大家一笑，而是希望讀者能從中悟出些東西，從而避免“重蹈覆轍”。上面詳細(xì)描述的已是第二版，第一版電路設(shè)計(jì)和PCB排版均有不少問題，調(diào)試后做了較多修改。新PCB拿到后，我十分自信，邊拍照邊焊接，很快硬件就大功告成。下載程序后，得意的啟動(dòng)測(cè)量，親切的“啪啪”聲即刻響起；隨即接上示波器準(zhǔn)備記錄調(diào)試部分

19、的波形?？梢豢礈y(cè)量結(jié)果，給我當(dāng)頭一棒，測(cè)量數(shù)據(jù)根本不對(duì)。拿示波器一看，暈！沒有發(fā)射信號(hào)時(shí)，C12上居然有連續(xù)不斷的波形！頻率還正好是設(shè)計(jì)的諧振頻率。首先懷疑是此批TL852有問題，因?yàn)橛玫氖切沦?gòu)買的；立刻用原來剩余的一片TL852又焊了一個(gè)，結(jié)果一樣，汗！當(dāng)時(shí)有個(gè)不詳?shù)念A(yù)感：壞了，PCB排版不當(dāng)，電路自激振蕩了！馬上想到的是R7、R8電阻，因?yàn)榈谝话嬖O(shè)計(jì)是0603器件，后為了便于DIY者修改參數(shù)，改為RT13，這樣離超聲波接收器就很近了（看PCB圖），懷疑是R8的反饋信號(hào)耦合到超聲波接收器端子上，導(dǎo)致振蕩?？筛顢嚯娐犯淖兾恢煤?，依然如故。只好依次將輸入部分的各個(gè)器件脫離PCB，看是哪個(gè)導(dǎo)致的，

20、直到電感移開后，問題消失了：最后找出了問題所在：是2個(gè)電感之間耦合；因?yàn)長(zhǎng)1、L2并排緊挨著，又都是“工”字磁芯，漏磁較大；L2中是放大后的信號(hào)，L1是輸入，這樣就導(dǎo)致了自激振蕩。第一版PCB也是這樣排的，可巧的是電感焊的方向不同，正好相位相反，所以沒有暴露；而此次焊的2塊均正好相位相同，形成正反饋，導(dǎo)致振蕩。后來我驗(yàn)證了，只要將L2 交換引腳插入（不用焊），就可以輕松復(fù)現(xiàn)。因?yàn)殡姼袥]有極性標(biāo)志，所以讀者如DIY此傳感器，要注意，先不要焊接L2，其它都焊好后，通電，插入L2，用示波器測(cè)量C12的信號(hào)，如振蕩則交換2個(gè)引腳，確定正常后再焊上。考慮到多數(shù)學(xué)生沒有示波器，我將在軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)功能

21、，詳見“軟件篇”。從這個(gè)插曲中可以看出，模擬電路排版還是挺講究的，需要考慮因素遠(yuǎn)比數(shù)字電路多。不過目前變換方向焊接后是否變成了負(fù)反饋？對(duì)測(cè)量的影響是什么？還望讀者發(fā)表高見！五、實(shí)驗(yàn)效果為了便于測(cè)試，還是采用了PC輔助調(diào)試的方式，控制命令上設(shè)計(jì)了內(nèi)存讀寫命令，以方便調(diào)試。關(guān)于軟件的設(shè)計(jì)，在后續(xù)“軟件篇”中再作詳細(xì)討論。由于使用的是USB轉(zhuǎn)串口模式，USB的5V可作為超聲波傳感器的電源，調(diào)試起來十分方便，串口既作為下載程序的工具，又作為調(diào)試的手段：現(xiàn)設(shè)計(jì)是以mm 為單位，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定度還不錯(cuò)，波動(dòng)不超過5mm，測(cè)量距離可在 25 cm 5m。近距離受限是由于在軟件中設(shè)置了防護(hù)，前面已有描述。遠(yuǎn)距離似乎是靈敏度不夠了，現(xiàn)在我用的第一級(jí)放大增益電阻都是4.7k（R7、R8），讀者可以改變兩者的比值以增大增益，看看是否能提