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超声波模块电路原理介绍

2018-11-20 21:18:33

4605 超声波单片机谐振

频率在2000赫兹以上，不触及人类听觉的机械振动波。超声波作为一种非接触式检测方法，与其他技术方法相比，在恶劣环境中具有较强的适应力，不受光和颜色的影响，相比其他技术具有结构简单，成本低的优点，更适合近距离测距。

人们已经制造了许多超声波生成器。一般来说，超声波生成器分为两种：一种是电气手段产生超声波，另一种是机械方式生成超声波。包括压电式、磁致伸缩式等电气手段; Garton 笛、液体哨和空气哨等机械方式。它们产生的超声波特性都不相同，因此以不同的方式使用。

通过压电晶体的谐振来实现压电超声波生成器的工作。它由一片共振板和两片晶片组成。对双极施加脉冲信号，频率等于晶片的振荡频率时，驱动共振板振动，发射出超声波。如果在两个电极之间没有施加电压，当共振板接收到超声波时，晶片将被迫振动，机械能被转换为电信号。此时，就作为超声波接收器使用。压电超声波生成器的结构如图1所示。

图1 超声波简易结构图

超声波距离测量原理非常简单，一般采用回波时间法，即检测超声波往返所测距离的时间，当发射器发出一个短脉冲时，定时器启动;当接收器接收到返回脉冲时，定时器立即停止。此时记录的时间值为D = CT / 2，其中D为超声波传感器与测量对象之间的距离，C为介质中声波的传播速度（C = 331.4+t273 / 1m / s，t是摄氏温度），T是超声波发射回波的时间间隔。理论上，超声波在正常空气中传播速度随着介质温度的升高而有所加快，温度提高了一度，速度提高0.6 m/s左右。原理结构如图2所示。

图2 超声波传感器工作原理图

超声波传感器主要由三部分组成：控制部分，总线部分，超声波发射接收部分。主控芯片通过I/O口发送信号，通过总线发送到两个发生电路中，控制着两个超声波的发射，然后再由两个信号接收电路对接收超声波信号进行放大，最后通过总线传送到主控芯片的输入端口，然后根据发射接收时间差T，计算出传感器与障碍物之间的距离，最后根据距离对轮椅的行驶安全性进行判断，并做出相应动作。原理如图3所示。

图3 超声波发射原理图

通过分析超声波的衰减特性和空气阻尼(超声波传感器灵敏度曲线如图4所示)，同时考虑到敏感度的影响，超声波频率约为 40 kHz时的空气传输效率最好。为便于处理，发射部分被调制为大约40k赫兹的调制脉波信号。发射部分主要由超声波发射器和多谐波振荡电路和六路非门驱动放大器芯片组成。多谐波振荡电路由两个 NAND门IC1A，IC1B和R1，R2和一个可调电阻组成。振荡频率通过对可调电阻的调整来控制，由下式确定：

图4 超声波灵敏度曲线图

接收部分主要由接收电路和放大电路和比较器组成。当距离过远的情况下，回声是非常弱的，因此转换电信号幅度也是较小的，这就要求要对信号进行放大60万倍，因此超声波模块采用了三级放大电路。由三个运算放大器IC3A、IC3B及IC3C组成了三级放大电路，前两级可以各放大一百次，第三级可以放大约六十次。接收信号整流滤波电路，可把接收的40k赫兹反射波交流信号转换为直流信号。而第四个运算放大器IC3D用作电压比较器，把接收的直流电压信号和设置电压进行比较。当接收信号的电压大于设置电压时，比较器就会输出高电平，Q1导通，使比较器的相应输出端电平置低，然后传输给主控芯片，主控芯片检测到高电平就开始中断，根据超声波从发送到接收所经历的时间就可计算出距离。超声波接收电路原理如图5所示。

图5 超声波接收原理图