專利名稱：抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的控制器，主要用于在利用超聲回波原理測(cè)距時(shí)抑制其測(cè)量盲區(qū)。
背景技術(shù)：
在利用超聲回波原理測(cè)距時(shí)，增大測(cè)量范圍和減小測(cè)量盲區(qū)往往是相互制約的。當(dāng)換能器確定后，欲增大測(cè)量范圍，需提高發(fā)射激勵(lì)功率，以確保在距離較遠(yuǎn)時(shí)有足夠強(qiáng)的回波信號(hào)，但發(fā)射功率的增強(qiáng)又會(huì)使發(fā)射波的拖尾加長(zhǎng)，從而導(dǎo)致測(cè)量盲區(qū)加大；反過(guò)來(lái)，欲減小測(cè)量盲區(qū)，需減小發(fā)射波的激勵(lì)功率，使發(fā)射波的拖尾減小，但另一方面卻又減小了有效的測(cè)量距離。
目前，解決這一矛盾的方法主要有兩種。一是從換能器的結(jié)構(gòu)入手，通過(guò)適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在考慮提高換能器靈敏度的同時(shí)，采取恰當(dāng)措施抑制余振和附頻振動(dòng)，從而使換能器具有較高的靈敏度且有較小的發(fā)射波拖尾，但這種方法也同樣面臨著提高靈敏度和減小發(fā)射波拖尾的矛盾，所以作用有限。
另一種方法是采用時(shí)變?cè)鲆娣糯笃?，即根?jù)回波信號(hào)的幅度隨傳播時(shí)間按指數(shù)規(guī)律衰減的特點(diǎn)，將接收放大器設(shè)計(jì)成增益隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增加的時(shí)變?cè)鲆娣糯笃?，在一定范圍?nèi)，使遠(yuǎn)近不同的回波信號(hào)都能均衡地放大到適當(dāng)?shù)姆?，避免了發(fā)射波拖尾信號(hào)的過(guò)放大，因此，在一定程度上減小了測(cè)量盲區(qū)。然而，分析可知，這種方法最終受到發(fā)射波拖尾信號(hào)的限制，當(dāng)回波信號(hào)與響應(yīng)位置拖尾信號(hào)相等時(shí)，改變?cè)鲆嬉矡o(wú)濟(jì)于事。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的控制器，它能夠自動(dòng)根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近來(lái)控制發(fā)射功率的大小，以最大限度的減小測(cè)量盲區(qū)。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案是一種抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的控制器，包括超聲波傳感器T，其特征是具有由單片機(jī)1、控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間TW的門控電路2、振蕩電路3、升壓電路4、超聲傳感器T組成的發(fā)射功率控制電路5，以及由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7、數(shù)字電位器8、電容器9構(gòu)成寬度可控的尾波整形覆蓋電路10，單片機(jī)1與數(shù)字電位器8、門控電路2相聯(lián)接，發(fā)射功率控制電路5經(jīng)放大電路6與尾波整形覆蓋電路10相聯(lián)接。
而且，振蕩電路3由三極管BG2、電容C1、C2、C3、C4、C5、電感L1、電阻R3、R4、R5、R6組成；門控電路2由電阻R1、R2、三極管BG1和單片機(jī)的一根IO口線組成；升壓電路4由電容C6、電阻R7、R8、實(shí)現(xiàn)功率推動(dòng)的三極管BG3、BG4和高頻升壓變壓器T1組成；單片機(jī)的P0.0端經(jīng)電阻R1與三極管BG1的基極相連接，其P1.0～P1.7端經(jīng)總線與顯示器相連接，其P2.0～P2.7端經(jīng)總線與數(shù)字電位器相連接。其INTO則與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7的Q端相連接，放大電路6的輸入端接變壓器T1和傳感器T，其輸出端接觸發(fā)器7的B端，觸發(fā)器7的A和Q互接，其RC端經(jīng)數(shù)字電位器8接觸發(fā)器7的cext端和電容9，觸發(fā)器的CLR端接電源VCC，電容9的另一端接地。
在本技術(shù)方案中，當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，拖尾信號(hào)不構(gòu)成影響，故采用較強(qiáng)的發(fā)射功率。當(dāng)測(cè)量距離較近時(shí)，回波信號(hào)衰減較小，此時(shí)，主要考慮抑制盲區(qū)的問(wèn)題，故采用較小的發(fā)射功率，以減小發(fā)射波的拖尾，從而減小盲區(qū)，即自動(dòng)根據(jù)測(cè)量距離的遠(yuǎn)近控發(fā)射功率的大小。也就是通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間TW，在一定程度上控制發(fā)射波的功率的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量盲區(qū)的控制。對(duì)比實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)使用超聲波傳感器的頻率為40KHZ，最大測(cè)量距離為25m時(shí)。沒(méi)采用本控制器之前，TW固定為2.5ms，盲區(qū)約為1.2m。采用本控制器后，量程不變，盲區(qū)可減小到0.2m?？梢?jiàn)本方法抑制盲區(qū)的效果是十分顯著的。


圖1是實(shí)測(cè)發(fā)射波幅度與TW的關(guān)系曲線圖。
圖2是本控制器的電路原理圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1、圖2，本實(shí)用新型所述的是一種抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的控制器，包括超聲波傳感器T，其特征是具有由單片機(jī)1、控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間TW的門控電路2、振蕩電路3、升壓電路4、超聲傳感器T組成的發(fā)射功率控制電路5，以及由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7、數(shù)字電位器8、電容器9構(gòu)成寬度可控的尾波整形覆蓋電路10，單片機(jī)1與數(shù)字電位器8、門控電路2相聯(lián)接，發(fā)射功率控制電路5經(jīng)放大電路6與尾波整形覆蓋電路10相聯(lián)接。
進(jìn)一步的技術(shù)方案是振蕩電路3由三極管BG2、電容C1、C2、C3、C4、C5、電感L1、電阻R3、R4、R5、R6組成；門控電路2由電阻R1、R2、三極管BG1和單片機(jī)的一根IO口線組成；升壓電路4由電容C6、電阻R7、R8、實(shí)現(xiàn)功率推動(dòng)的三極管BG3、BG4和高頻升壓變壓器T1組成；單片機(jī)的P0.0端經(jīng)電阻R1與三極管BG1的基極相連接，其P2.0～P2.7端經(jīng)總線與數(shù)字電位器相連接。其INTO則與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7的Q端相連接，放大電路6的輸入端接變壓器T1和傳感器T，其輸出端接觸發(fā)器7的B端，觸發(fā)器7的A和Q互接，其RC端經(jīng)數(shù)字電位器8接觸發(fā)器7的cext端和電容9，觸發(fā)器的CLR端接電源VCC，電容9的另一端接地。
所述放大電路6為運(yùn)算放大器A及相應(yīng)輔助器件構(gòu)成的常規(guī)放大電路(見(jiàn)電子學(xué)教科書)，具有放大和過(guò)壓保護(hù)功能。運(yùn)算放大器A可選用的芯片型號(hào)LM318或LF353等通用運(yùn)算放大器；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7的芯片型號(hào)74123等單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；單片機(jī)1的芯片型號(hào)89c51，顯然，還可以選用與該型號(hào)功能似的其它單片機(jī)1芯片。
當(dāng)采用一定寬度的波群信號(hào)激勵(lì)時(shí)，如圖1(圖中，I為發(fā)射波幅度與TW的關(guān)系曲線，II為連續(xù)波驅(qū)動(dòng)時(shí)發(fā)射波的幅度，III為線性功率調(diào)控關(guān)系)，在一定范圍內(nèi)，改變波群的寬度TW可以改變發(fā)射功率的大小。這是因?yàn)閺募?lì)開(kāi)始，超聲波傳感器T的振動(dòng)幅度是從零開(kāi)始逐漸增大的，隨激勵(lì)時(shí)間的增加，超聲波的輻射功率也是逐漸增大的，需經(jīng)歷一段時(shí)間后才能到達(dá)最大振幅(即相當(dāng)于連續(xù)波驅(qū)動(dòng)時(shí)的振幅)。以40KHZ的超聲傳感器為例，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)持續(xù)激勵(lì)時(shí)間達(dá)到2ms(即TW＝2ms)時(shí)，激勵(lì)波群包含了80個(gè)脈沖波，此時(shí)傳感器的振動(dòng)幅度達(dá)到最大，接近連續(xù)波驅(qū)動(dòng)的情況；當(dāng)驅(qū)動(dòng)時(shí)間TW減小到1ms時(shí)，驅(qū)動(dòng)波包含40個(gè)脈沖周期，此時(shí)驅(qū)動(dòng)功率已明顯減小，發(fā)射波的幅度約為前者的3/5。進(jìn)一步減小TW，發(fā)射波的幅度還將顯著減小。
所述振蕩電路3可以是典型的電容三點(diǎn)式振蕩電路，它產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的近似正弦波振蕩信號(hào)。調(diào)整電感L1可改變信號(hào)的頻率。通常其頻率f被調(diào)整到與超聲波換能器的工作頻率一致。振蕩電路3的工作受門控電路2控制。門控電路2產(chǎn)生一個(gè)開(kāi)閉信號(hào)，控制振蕩電路的起振或停振，使之產(chǎn)生一個(gè)間歇式振蕩波形輸出。當(dāng)單片機(jī)的IO口線輸出的門控信號(hào)TW為低電平時(shí)，BG1截止，振蕩電路正常工作；反之，當(dāng)TW輸出高電平時(shí)，BG1導(dǎo)通，BG2基極電壓被拉低，使BG2截止，振蕩電路停振。間歇振蕩信號(hào)的寬度由門控信號(hào)TW寬度確定。升壓電路4的三極管BG3、BG4的作用是實(shí)現(xiàn)功率推動(dòng)，變壓器T1實(shí)現(xiàn)升壓。振蕩電路3輸出的間歇波經(jīng)升壓電路4升壓后激勵(lì)超聲換能器5，產(chǎn)生脈沖超聲波輸出。門控信號(hào)TW直接由單片機(jī)1的I/O口線控制實(shí)現(xiàn)。TW的大小則可利用單片機(jī)的內(nèi)部定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前距離L，按式(2)計(jì)算出相應(yīng)的TW值，交由內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)(如利用8031的TO定時(shí)計(jì)數(shù)器)。在發(fā)射開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)令TW為低電平。當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止計(jì)數(shù)并使TW為高電平，關(guān)閉振蕩電路。對(duì)應(yīng)I/O端口輸出相應(yīng)寬度的控制信號(hào)TW。
為了便于實(shí)施，對(duì)本技術(shù)方案作以下更為詳盡的描述。根據(jù)圖1和不同距離對(duì)發(fā)射功率的要求及實(shí)際發(fā)射波拖尾信號(hào)的長(zhǎng)度情況可以確定相應(yīng)的門控信號(hào)的寬度TW。為計(jì)算方便，本文采用了如下線性控制關(guān)系TW=K·L+TW0,L≤4mTW=Tmax,L>4m---(1)]]>其中L為測(cè)量距離，TW0為門控信號(hào)的最小寬度，Tmax為門控信號(hào)的最大寬度，K為比例常數(shù)，相關(guān)參數(shù)可由實(shí)驗(yàn)確定。
如在信號(hào)頻率為40KHz時(shí)，可取TW0＝0.25ms，Tmax＝2.5ms，K＝0.56，即TW=(0.56·L+0.25)ms,L≤4mTW=2.5ms,L>4m---(2)]]>其中L值為當(dāng)前測(cè)量距離。
由于發(fā)射波拖尾信號(hào)的寬度是隨發(fā)射功率而變的，為了保證拖尾波不影響回波的接收，需要用相應(yīng)寬度的方波覆蓋拖尾波，同時(shí)覆蓋波的寬度不能過(guò)寬，否則，將使測(cè)量盲區(qū)加大。因此，覆蓋波的寬度也應(yīng)隨發(fā)射功率調(diào)整。由實(shí)驗(yàn)可知，一般發(fā)射波的拖尾寬度約為激勵(lì)信號(hào)寬度的2～3倍，故可取覆蓋波的寬度為 TF＝3～4TW (3)尾波覆蓋電路由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7、數(shù)字電位器8、電容9及單片機(jī)1等部分組成，構(gòu)成一個(gè)寬度可控的方波整形電路7，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖尾信號(hào)的覆蓋。改變I/O口的輸出，即可改變RW的大小，從而改變單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時(shí)間常數(shù)，進(jìn)而改變覆蓋波的寬度TF。
覆蓋寬度為TF≈DR0C，其中C、R0為常數(shù)，D為單片機(jī)P2口的輸出值。
由(3)式可得控制輸出信號(hào)為D＝(3～4)TW/R0C (4)本控制器的工作過(guò)程是單片機(jī)在程序的控制下按(2)式設(shè)置與TW寬度相對(duì)應(yīng)的定時(shí)值到定時(shí)器，同時(shí)打開(kāi)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，并令TW為低電平，啟動(dòng)振蕩電路3產(chǎn)生振蕩，經(jīng)升壓電路4升壓后驅(qū)動(dòng)超聲傳感器T產(chǎn)生超聲波發(fā)射，與此同時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的P2口按(4)式設(shè)置數(shù)字電位器RW的合適值，將尾波覆蓋信號(hào)調(diào)整到相應(yīng)的寬度。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，即門控信號(hào)寬度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，引發(fā)單片機(jī)中斷，單片機(jī)將TW置為高電平，關(guān)閉振蕩電路，從而完成發(fā)射信號(hào)寬度的信號(hào)控制和實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率與測(cè)量盲區(qū)的控制。與此同時(shí)，單片機(jī)1根據(jù)回波信號(hào)在INTO1端引起的中斷時(shí)間，計(jì)算出相應(yīng)的距離，以作為下次盲區(qū)控制計(jì)算的依據(jù)。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍。這樣，倘若這些修改和變形屬于本實(shí)用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本實(shí)用新型也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的控制器，包括超聲波傳感器(T)，其特征是具有由單片機(jī)(1)、控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間(TW)的門控電路(2)、振蕩電路(3)、升壓電路(4)、超聲傳感器(T)組成的發(fā)射功率控制電路(5)，以及由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(7)、數(shù)字電位器(8)、電容器(9)構(gòu)成寬度可控的尾波整形覆蓋電路(10)，單片機(jī)(1)與數(shù)字電位器(8)、門控電路(2)相聯(lián)接，發(fā)射功率控制電路(5)經(jīng)放大電路(6)與尾波整形覆蓋電路(10)相聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制器，其特征是振蕩電路(3)由三極管(BG2)、電容(C1、C2、C3、C4、C5)、電感(L1)、電阻(R3、R4、R5、R6)組成；門控電路(2)由電阻(R1、R2)、三極管(BG1)和單片機(jī)的一根IO口線組成；升壓電路(4)由電容(C6)、電阻(R7、R8)、實(shí)現(xiàn)功率推動(dòng)的三極管(BG3、BG4)和高頻升壓變壓器(T1)組成；單片機(jī)的P0.0端經(jīng)電阻(R1)與三極管(BG1)的基極相連接，其P2.0～P2.7端經(jīng)總線與數(shù)字電位器相連接，其INTO則與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(7)的Q端相連接，放大電路(6)的輸入端接變壓器(T1)和傳感器(T)，其輸出端接觸發(fā)器(7)的B端，觸發(fā)器(7)的A和Q互接，其RC端經(jīng)數(shù)字電位器(8)接觸發(fā)器(7)的cext端和電容(9)，觸發(fā)器的CLR端接電源(VCC)，電容(9)的另一端接地。
專利摘要一種抑制超聲測(cè)量盲區(qū)的控制器，包括超聲波傳感器T，其特征是具有由單片機(jī)1、控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)持續(xù)時(shí)間TW的門控電路2、振蕩電路3、升壓電路4、超聲傳感器T組成的發(fā)射功率控制電路5，以及由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7、數(shù)字電位器8、電容器9構(gòu)成寬度可控的尾波整形覆蓋電路10，單片機(jī)1與數(shù)字電位器8、門控電路2相聯(lián)接，發(fā)射功率控制電路5經(jīng)放大電路6與尾波整形覆蓋電路10相聯(lián)接。本控制器能十分顯著地抑制超聲測(cè)量盲區(qū)。
文檔編號(hào)G01S15/08GK2727702SQ200420017290
公開(kāi)日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月1日
發(fā)明者馬志敏, 劉珍秧, 劉愛(ài)東 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)