專利名稱：抑制超聲測量盲區(qū)的控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種抑制超聲測量盲區(qū)的控制器，主要用于在利用超聲回波原理測距時抑制其測量盲區(qū)。
背景技術(shù)：
在利用超聲回波原理測距時，增大測量范圍和減小測量盲區(qū)往往是相互制約的。當換能器確定后，欲增大測量范圍，需提高發(fā)射激勵功率，以確保在距離較遠時有足夠強的回波信號，但發(fā)射功率的增強又會使發(fā)射波的拖尾加長，從而導(dǎo)致測量盲區(qū)加大；反過來，欲減小測量盲區(qū)，需減小發(fā)射波的激勵功率，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，通過適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計，在考慮提高換能器靈敏度的同時，采取恰當措施抑制余振和附頻振動，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變增益放大器，即根據(jù)回波信號的幅度隨傳播時間按指數(shù)規(guī)律衰減的特點，將接收放大器設(shè)計成增益隨時間按指數(shù)規(guī)律增加的時變增益放大器，在一定范圍內(nèi)，使遠近不同的回波信號都能均衡地放大到適當?shù)姆?，避免了發(fā)射波拖尾信號的過放大，因此，在一定程度上減小了測量盲區(qū)。然而，分析可知，這種方法最終受到發(fā)射波拖尾信號的限制，當回波信號與響應(yīng)位置拖尾信號相等時，改變增益也無濟于事。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種抑制超聲測量盲區(qū)的控制器，它能夠自動根據(jù)測量距離的遠近來控制發(fā)射功率的大小，以最大限度的減小測量盲區(qū)。
實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)方案是一種抑制超聲測量盲區(qū)的控制器，包括超聲波傳感器T，其特征是具有由單片機1、控制驅(qū)動信號持續(xù)時間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和單片機的一根IO口線組成；升壓電路4由電容C6、電阻R7、R8、實現(xiàn)功率推動的三極管BG3、BG4和高頻升壓變壓器T1組成；單片機的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，當測量距離較遠時，拖尾信號不構(gòu)成影響，故采用較強的發(fā)射功率。當測量距離較近時，回波信號衰減較小，此時，主要考慮抑制盲區(qū)的問題，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)，即自動根據(jù)測量距離的遠近控發(fā)射功率的大小。也就是通過控制驅(qū)動信號的持續(xù)時間TW，在一定程度上控制發(fā)射波的功率的大小，進而實現(xiàn)對測量盲區(qū)的控制。對比實驗的測試結(jié)果表明，當使用超聲波傳感器的頻率為40KHZ，最大測量距離為25m時。沒采用本控制器之前，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?？梢姳痉椒ㄒ种泼^(qū)的效果是十分顯著的。


圖1是實測發(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。
具體實施方式
參照圖1、圖2，本實用新型所述的是一種抑制超聲測量盲區(qū)的控制器，包括超聲波傳感器T，其特征是具有由單片機1、控制驅(qū)動信號持續(xù)時間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和單片機的一根IO口線組成；升壓電路4由電容C6、電阻R7、R8、實現(xiàn)功率推動的三極管BG3、BG4和高頻升壓變壓器T1組成；單片機的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(見電子學(xué)教科書)，具有放大和過壓保護功能。運算放大器A可選用的芯片型號LM318或LF353等通用運算放大器；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器7的芯片型號74123等單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；單片機1的芯片型號89c51，顯然，還可以選用與該型號功能似的其它單片機1芯片。
當采用一定寬度的波群信號激勵時，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)動時發(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。這是因為從激勵開始，超聲波傳感器T的振動幅度是從零開始逐漸增大的，隨激勵時間的增加，超聲波的輻射功率也是逐漸增大的，需經(jīng)歷一段時間后才能到達最大振幅(即相當于連續(xù)波驅(qū)動時的振幅)。以40KHZ的超聲傳感器為例，實驗表明，當持續(xù)激勵時間達到2ms(即TW＝2ms)時，激勵波群包含了80個脈沖波，此時傳感器的振動幅度達到最大，接近連續(xù)波驅(qū)動的情況；當驅(qū)動時間TW減小到1ms時，驅(qū)動波包含40個脈沖周期，此時驅(qū)動功率已明顯減小，發(fā)射波的幅度約為前者的3/5。進一步減小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式振蕩電路，它產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的近似正弦波振蕩信號。調(diào)整電感L1可改變信號的頻率。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)生一個開閉信號，控制振蕩電路的起振或停振，使之產(chǎn)生一個間歇式振蕩波形輸出。當單片機的IO口線輸出的門控信號TW為低電平時，BG1截止，振蕩電路正常工作；反之，當TW輸出高電平時，BG1導(dǎo)通，BG2基極電壓被拉低，使BG2截止，振蕩電路停振。間歇振蕩信號的寬度由門控信號TW寬度確定。升壓電路4的三極管BG3、BG4的作用是實現(xiàn)功率推動，變壓器T1實現(xiàn)升壓。振蕩電路3輸出的間歇波經(jīng)升壓電路4升壓后激勵超聲換能器5，產(chǎn)生脈沖超聲波輸出。門控信號TW直接由單片機1的I/O口線控制實現(xiàn)。TW的大小則可利用單片機的內(nèi)部定時器來實現(xiàn)。單片機根據(jù)當前距離L，按式(2)計算出相應(yīng)的TW值，交由內(nèi)部定時器實現(xiàn)定時(如利用8031的TO定時計數(shù)器)。在發(fā)射開始時啟動計數(shù)器開始計數(shù)，同時令TW為低電平。當計數(shù)達到設(shè)定值時，停止計數(shù)并使TW為高電平，關(guān)閉振蕩電路。對應(yīng)I/O端口輸出相應(yīng)寬度的控制信號TW。
為了便于實施，對本技術(shù)方案作以下更為詳盡的描述。根據(jù)圖1和不同距離對發(fā)射功率的要求及實際發(fā)射波拖尾信號的長度情況可以確定相應(yīng)的門控信號的寬度TW。為計算方便，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為測量距離，TW0為門控信號的最小寬度，Tmax為門控信號的最大寬度，K為比例常數(shù)，相關(guān)參數(shù)可由實驗確定。
如在信號頻率為40KHz時，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值為當前測量距離。
由于發(fā)射波拖尾信號的寬度是隨發(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，同時覆蓋波的寬度不能過寬，否則，將使測量盲區(qū)加大。因此，覆蓋波的寬度也應(yīng)隨發(fā)射功率調(diào)整。由實驗可知，一般發(fā)射波的拖尾寬度約為激勵信號寬度的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1等部分組成，構(gòu)成一個寬度可控的方波整形電路7，實現(xiàn)對拖尾信號的覆蓋。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)器的時間常數(shù)，進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P2口的輸出值。
由(3)式可得控制輸出信號為D＝(3～4)TW/R0C (4)本控制器的工作過程是單片機在程序的控制下按(2)式設(shè)置與TW寬度相對應(yīng)的定時值到定時器，同時打開單片機內(nèi)部定時器進行定時，并令TW為低電平，啟動振蕩電路3產(chǎn)生振蕩，經(jīng)升壓電路4升壓后驅(qū)動超聲傳感器T產(chǎn)生超聲波發(fā)射，與此同時，通過相應(yīng)的P2口按(4)式設(shè)置數(shù)字電位器RW的合適值，將尾波覆蓋信號調(diào)整到相應(yīng)的寬度。當定時時間到，即門控信號寬度達到設(shè)定值時，引發(fā)單片機中斷，單片機將TW置為高電平，關(guān)閉振蕩電路，從而完成發(fā)射信號寬度的信號控制和實現(xiàn)發(fā)射功率與測量盲區(qū)的控制。與此同時，單片機1根據(jù)回波信號在INTO1端引起的中斷時間，計算出相應(yīng)的距離，以作為下次盲區(qū)控制計算的依據(jù)。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本實用新型進行各種改動和變形而不脫離本實用新型的精神和范圍。這樣，倘若這些修改和變形屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本實用新型也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種抑制超聲測量盲區(qū)的控制器，包括超聲波傳感器(T)，其特征是具有由單片機(1)、控制驅(qū)動信號持續(xù)時間(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(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)和單片機的一根IO口線組成；升壓電路(4)由電容(C6)、電阻(R7、R8)、實現(xiàn)功率推動的三極管(BG3、BG4)和高頻升壓變壓器(T1)組成；單片機的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1、控制驅(qū)動信號持續(xù)時間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量盲區(qū)。
文檔編號G01S15/08GK2727702SQ200420017290
公開日2005年9月21日 申請日期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, 劉愛東 申請人:武漢大學(xué)