【文章內(nèi)容簡介】 尺寸分辨率高細節(jié)容易辨識清楚因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看工作頻率要求提高 3 從傳感器設(shè)計角度看工作頻率越低傳感器尺寸就越大制造和安裝就越困難綜上所述由于木測距儀最大測量量程不大因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz這樣傳感器方 I 句性尖銳且避開了噪聲提高了信噪比雖然傳播損失相對低頻有所增加但不會給發(fā)射和接收帶來困難 232 指向角介紹 傳感器的指向角是聲束半功率點的夾角是影響測距的一個重要技術(shù)參數(shù)記為θ它直接影響測量的分辨率對圓片傳感器來說它的大小與工作波長λ傳感器半徑 r 有關(guān) 233 溫度介紹 由 22 可知聲速的大小線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度空氣中傳播的超聲波是由機械振動產(chǎn)生的縱波由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量氣體反抗壓縮變化力的作用實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播因此超聲波的傳播速度受氣體的密度溫度及氣體分子成份的影響由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量且量程也不大溫度可以看作定值在常溫 20℃下聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為344ms 但當需要精確確定超聲波傳播速度時必須考慮溫度的影響 234 發(fā)射脈沖寬度介紹 發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)也影響測量精度同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)根據(jù)資料 減小發(fā)射脈沖寬度可以提高測量精度減小測量盲區(qū)但同時也減小了發(fā)射能量對接收回波不利最終采用短距離 2m 內(nèi) 發(fā)射 200us 8 個 40KHz方波脈沖 發(fā)射脈沖寬度長距離 2m外 發(fā)射 800us 32個 40KHz脈沖方波 的發(fā)射脈沖寬度同時單片機編程避開盲區(qū)此時從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中并且接收準確響應速度快然而在智能停車場當中則選擇800us 的脈沖寬度 3 超聲測距儀硬件設(shè)計 31 總體設(shè)計 系統(tǒng)計劃在室內(nèi)實現(xiàn)小范圍測距測試距離約在 4 米以內(nèi)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖31 所示 圖 31 系統(tǒng)設(shè)計方案圖 由單片機發(fā)出 40KHz 的方波信號進入超聲波發(fā)射電路經(jīng)功率放大器放大后進入超聲波發(fā)射頭超聲波發(fā)射頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播一段時間后經(jīng)前方被檢測物體反射回來由超聲波接收頭接收超聲波電路中的接收芯片對信號放大整形超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個下拉電平使單片機進入中斷程序在中斷程序中單片機從檢測電路讀取數(shù)值并換算成當前聲速應用時差法計算所檢測的距離最后所有的數(shù)據(jù)都在 LED 顯示電路上顯示 32 發(fā)射電路設(shè)計 321 發(fā)射電路的方案論述 為獲得較高的分辨力發(fā)射 電路的設(shè)計應保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復性此外發(fā)射波形應盡量單純即發(fā)射波的發(fā)射頻率應近似為統(tǒng)一頻率的振動波以便于接受時可以采用濾波器進行濾波消除干擾和每次都接受同樣的振動波峰以避免超聲波在障礙物表面反射時造成的各種干擾和損失由于超聲波是換能器壓電晶片振動附近空氣產(chǎn)生的疏密波其波形與晶片振動規(guī)律相同發(fā)射電路的設(shè)計是否合理直接影響發(fā)射波的功率和重復性通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為單脈沖發(fā)射多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射每測距一次發(fā)送接收一次間斷地激發(fā)換能器晶片振動此方法測試距離太近本系統(tǒng) 采用間斷多脈沖發(fā)射系統(tǒng)自動識別被測距離遠近設(shè)置發(fā)射脈沖個數(shù) 322 發(fā)射電路 發(fā)射電路采用功率放大電路如圖 32 圖 32 發(fā)射電路圖 1 功率放大電路的特點 功率放大電路的主要任務(wù)是向負載提供一定的不失真 或失真較小 的輸出功率即不僅要輸出大幅度的信號電壓同時還要輸出大幅度的信號電流通常是在大信號狀態(tài)下工作因此功率放大電路包括著一系列在電壓放大電路上沒有出現(xiàn)過的特殊問題這些問題是 1 要求輸出功率盡可能大 為獲得大的功率輸出要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度因此管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作 2 效率 η 由于輸出功率大因此直流電源消耗的功率也大這就存在一個效率問題所謂效率就是負載得到的有用功率 Po 與電源供給晶體管功率 Pe 的比值用η表示 31 直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號功率以外剩余部分變成晶體管的管耗 Pc Pc PePo 如果放大器的效率較低不僅使直流電源的供給功率增加而且使晶體管的管耗增大使功率管發(fā)熱損壞所以對于功率放大器提高效率也是一個重要問題 323 分析計算 功率放大電路不可避免會出現(xiàn)交越失真的問題但是交越失真在 本設(shè)計中不會產(chǎn)生很大的影響所以不予考慮對于這部分電路的分析計算基本如下 首先計算輸出功率 Po 對于整個功率放大電路可知 32 輸出功率 Po 與輸入電壓 U 和輸入電流 I 有關(guān)就是與激勵信號有關(guān)系 我們知道最大不失真輸出電壓的有效值為 33 最大輸出功率則為 34 功放管的耐壓降為 Ucemx 2Vcc 35 最大集電極功率損耗為 36 集電極效率 37 最大集電極允許電流 38 采用一個電源的互補對稱電路由于每個管子的工作電壓不是原來的 Vcc 而是 Vcc2 輸出電壓最大也只能達到約 Vcc2 所有前面導出的計算公式只要用 Vcc2代替其中的 Vcc 即可本系 統(tǒng)設(shè)計時采用實驗室穩(wěn)壓電源 12V 供電也可采用獨立5v 電源選用 100uF 最大耐壓值為 5OV 的電解電容負載電阻為 45Ω功放管選用2SC18152SA1015 兩匹配三極管其耐壓為 50v 大于每管電源電壓的兩倍即 2 52 5v 根據(jù)公式 38 管的集電極最大允許電流為 150mA 大于 mA 符合設(shè)計要求 最大輸出功率為 Po 所以符合設(shè)計要求 概括起來說功率放大電路就是要在保證晶體管安全運用的情況下獲得盡可能大的輸出功率盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真 33 接收電路設(shè)計 接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后因諧振而形成逐 步加強的機械振動因壓電效應晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷電荷量很少只能提供微小交變電壓信號而不能提供電流信號接收換接收電路的任務(wù)是將這一微小交變電壓信號充分放大同時考慮可能出現(xiàn)干擾信號放大同時加入濾波電路驅(qū)動后面的比較器輸出電位跳變作為確定接收到的時刻 331 前置放大電路 前置放大電路單元的作用是對有用的信號進行放大并抑制其它的噪聲和干擾從而達到最大信噪比以利于后續(xù)電路的設(shè)計 圖 33 前置放大電路圖 考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗同時換能器的輸出電壓很小數(shù)十毫伏這 就要求前置放大電路有很高的精度很小的輸入偏置電壓前置放大電路是由一個高精度高輸入阻抗放大器 TL082 及電阻 U13U15 和 U14 構(gòu)成組成一反向比例放大電路這樣可以減小地線噪聲的影響 由電路的基本知識可列出 39 310 根據(jù)放大器理想化的兩個重要概念 1 集成運放兩個輸入端之間的靜輸入電壓通常接近于零即 U U_U≈ O 若把它理想化則有 U 0 當不是短路故常稱為虛短 2 集成運方兩輸入端幾乎不 取用電流即凈輸入電流如把它理想化則有 I O 但不是斷開故常稱為虛斷 故可知本電路中 U 0U U 0 311 上式表明輸出電壓與輸入電壓成比例運算關(guān)系式中的負號表示 U0與 Ui反相電路的電壓放大倍數(shù)為 312 利用反相比例放大器可實現(xiàn)對交直流輸入信號的放大且電路結(jié)構(gòu)簡單只需要調(diào)節(jié) U13和 U15阻值即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)圖中運放的同相輸入端接有電阻 U14 參 數(shù)選擇時應使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡即靜態(tài)時使輸入級偏置電流平衡并讓輸入級的偏置電流在運算放大器兩個輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降以便消除放大器的偏置電流及漂移的對輸出端的影響故 U14 又稱為平衡電阻 根據(jù)本設(shè)計系統(tǒng)需要接收傳感器輸出電壓很小數(shù)十毫伏故分別取 R2 lKR3 20OKRP lKΩ即放大電路將輸入信號放大 200 倍 332 帶通濾波電路 超聲波接受電路接收的信號中除了障礙物反射的回波外總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲而前端放大電路在放大有用信號的同時會將一部分的噪聲信號同時放大 于是設(shè)計出一高 品質(zhì)因素的濾波器對于整個系統(tǒng)十分重要集成運放非常流行由它和 RC 組成的有源濾波電路具有不用電感體積小重量輕等優(yōu)點所以采用有源濾波電路濾除無用的干擾雜波信號 有源濾波電路通常可以分為以下幾類 1 低通濾波電路 它的功能是通過從零到某一截止角頻率 W的低通信號而對于大于 W的所有頻率則完成衰減 2 高通濾波電路 它的功能是通過從高于某一角頻率 W的高通信號而對于低于 W的所有頻率