收发同体型超声测距系统设计

　　0 前言

　　随着微电子技术的发展,利用超声波进行近距离的非接触测量已逐步成为可能。例如,机加工中的自动化装配、检测、分类,以及对工件姿态、种类的自动识别等。超声波测距具有纵向分辨力高、对色彩和光照度不敏感、抗电磁场干扰能力强等特点,可用于识别透明和漫反射性差以及有毒等恶劣环境中。收发同体型超声测距系统中最关键的部分就是信号检测,采用音频功放LM386作前置放大器,取得了良好的效果。另外,该超声波测距系统还具有信号实时发送、通信等功能。

　　1 系统组成和工作原理

　　收发同体型超声波测距只用一个换能器,既做发射又做接收。当换能器发射出一个短暂的振荡信号后,便处于接收状态。记录下从信号发射到接收到回波信号的时间t,便可计算出换能器到被测物反射面之间的实际距离,计算公式为

　　式中，γ为声波的速度,C=CKTL,其中γ是气体的比热比;λ是气体常数;μ是气体的摩尔质量;T是热力学温度。

　　收发同体型超声波测距系统组成如图1所示。

　　系统由发射电路、信号检测电路、单片机控制器和信号发送电路等组成。发射电路定时输出0.2ms宽的激励信号;信号检测电路主要对反射信号进行前置放大、滤波器处理、自动增益调整和整形比较等处理;单片机控制器用于控制发射信号、时钟信号计数和数据处理等,并可向外发送信息。

　　2 信号检测电路

　　2.1 前置放大器

　　超声波在传播途中不可避免地会衰减,到达物体表面后,经过吸收、散射后,反射回来的回波信号极其微弱,要想检测到回波,必须对其进行适当的放大。另一方面,超声波碰到不同表面的物体回波信号起伏很大,以至于有可能完全被背景噪声淹没。因此,超声波回波的检测和放大对超声测距系统的量程和准确度有着至关重要的影响。

　　系统中利用同一个换能器,发射信号和接收信号共用一个通道,两个信号的幅值相差很大;同时,反射信号微弱,信噪比低,因此,没有采用普通的运算放大器来设计前置放大电路,而巧妙运用音频功放LM386作前置放大器。LM386的前置放大电路如图2所示[1]。

　　该放大器采用差分放大电路作为输入级,具有很高的共模抑制比和较大的输入阻抗。放大倍数可通过1,8脚之间的电容器C4来进行调节,其值应小于10μF。图3所示分别为采用音频功放LM386和仪用放大器IN126在增益相同的情况下所接收到的反射波信号。上半部分是音频功放LM386作前置放大器所得到的回波,其中,波形前一部分为发射波饱和输出信号,后一部分为反射波信号。