超远距离超声波模块适合自制.docx
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超远距离超声波模块适合自制
一、需求分析
能在测距范围上弥补GP2D12的不足，将距离延伸到80cm以外；
可以提供给大学生和爱好者DIY，具有学习功能；方便自己随时修改程序，使学习的作用得以充分发挥；成品具有一定的使用价值，可方便的应用于小车等需要测距的装置上。
二、概要设计
图1工作原理框图
总体设计参照SensComp公司，框图中，单片机为核心控制部分，根据设定的工作方式，产生40kHz方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号。
单片机此时开始计时。
接收回路为谐振回路，将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算出距离值，保存等待读出或直接经UART送出。
接收过程中，单片机定时控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。
核心器件为STC12LE4052、TL852、16mm超声波收、发器。
采用5V供电，因为5V是最常见的工作电压，便于日后将传感器应用于装置中。
为了减小干扰，选用了3.3V供电的单片机，使用目前常用的1117-3.3三端稳压器将5V降到3.3V，减小电源扰动的影响，增加可靠性。
下面分步介绍各个部分的电路原理。
首先是超声波发首先是超声波发射部分。
射部分。
图中，Send_Ctrl、Cut_Off端由STC12LE4052控制。
此单片机的I/O口可设置为推挽输出模式（这是经典51不具备的），拉电流、灌电流均可达20mA，保证了D882有足够的驱动能力和快速的通断性能。
变压器的次级电感与发射器（发射器为容性，一般为2400p左右）构成谐振回路，好处是提高了发射效率，但副作用是发射后的余波时间较长，导致近距离的回波被淹没。
所以电路中设计了2种余波抑制电路。
一个是R6，通过增加谐振回路的损耗加速余波结束，这种方式不需要控制，但由于同时也消耗了发射的功率，所以阻值不能太小，导致衰减效果不明显（此部分读者可自行试验）。
另一个电路由R4、R5、P1构成，由单片机控制，在发射完脉冲后将P1导通，强制短路变压器初级，快速消耗掉谐振能量，达到消除余波的目的，电阻R5越小，效果越好，但带来的问题是：
如控制失灵，会导致短路，烧坏P1或N1。
所以在电路中设计了一个跳线器，在软件没有调试好之前断开，避免无谓的损耗。
变压器升压比设计为20倍，实际输出电压约为50V峰值。
控制部分采用MCU，如下图所示：
图3单片机控制电路
STC12LE4052为一种改进型的51兼容单片机，指令集及主要架构与经典51相同，硬件资源略有增加：
1）增设了2通道PCA（可编程计数器阵列），弥补了经典51定时器功能“偏弱”的缺陷。
2）I/O口改进为可设置方式，支持：
51准双向、高阻输入、OC输出、推挽输出四种模式，简化了外部硬件设计。
3）硬件SPI接口，本设计中暂未使用，但PCB上引出了，有兴趣者可尝试之。
4）指令速度大大提高了，将原来的12时钟为一个机器周期改进为2–3个时钟周期，指令速度平均提高为原来的8倍左右。
5）计时时钟保留12分频模式，新增了2分频模式，提高了计时精度。
后两点对于超声波测距应用有益，指令速度快可减少响应延时的不确定，计时精度高可提高分辨率。
MCU端口资源分配如下：
P10-P13——控制TL852增益，设置为OC输出，852内部有上拉电阻（见图5）
P14-P17——保留
P30（RXD）、P31（TXD）——UART通讯
P32（INT0）——接SOUT端，作为超声波发射时的852输出抑制，置为OC输出。
P33（INT1）——超声波接收输入，设置为输入
P34——产生超声波发射方波，设置为推挽输出模式
P3.5——控制P1，用于衰减余波，设置为OC输出模式
P37——工作指示灯，设置为OC输出模式
关于P32控制SOUT端的作用，请阅读TL851资料。
图4接收回路和信号放大、检出电路
这个电路是超声波测距的核心。
因为产生波形和计时都容易解决，而准确的检测出回波信号才是决定传感器是否成功的关键。
为便于理解上图，将TL852的内部原理框图列出：
图5TL852内部功能框图
读者可对照TL852数据手册分析其工作原理。
从图中可以看出，图4中的R7、R8为运放的输入、反馈电阻，通过改变两者比值可方便的改变灵敏度，故将R7、R8设计为直插器件。
图6TL852输出信号处理电路
图6所示电路是为了将TL852的输出转换为单片机需要的中断信号，U4A构成了一级同相跟随器，是为了隔离后级对C14积分电路的影响。
U4B构成一个比较器，理解此部分可参阅下面的TL851框图。
图7TL851内部功能框图
图中，8脚应接在SOUT上，1.2V基准电压等效于图6中的2个1N4148串联，因为硅PN结的正向压降为0.6V。
第9脚ECHO输出相当于图6中的U4B的第7脚输出。
BLNK、BINH端子都是为了抑制发送时的信号，此部分在本设计中由单片机完成，单片机的P32口置为OC输出，就是为了替代图中接在8脚和3脚之间的三极管，实现对积分电容C14放电，为测量做准备。
如读者希望进一步了解这部分的工作原理，可对照6500模块的原理图和TL851、TL852数据手册仔细研读。
三器件选择和PCB设计
单片机前面已说明。
TL852选用SOP16封装的，否则体积太大。
运放U4选用LMV358，SOP8封装。
LMV358为低电压满幅输出运放，额定工作电压为2.7—5V，读者可对照LM358资料看两者的差别，因为单片机的工作电压为3.3V，所以选用LMV358，虽然成本略高，但性能得到保证。
超声波收、发器选用Φ16mm的，期望发射功率略大，测量距离可以远些。
谐振频率为40kHz，国内基本上都是此频率。
因为超声波收、发器的电容值偏差较大，如读者希望精确匹配电感以提高性能，可能需要自己根据实测的电容量手工绕制，所以电感选用了8X10的工字磁芯，而变压器采用EE16，体积都比较大，便于手工绕制；读者如需优化性能，或体验其影响，可尝试自己制作，从而更好的掌握超声波测距的原理，为日后设计正式产品打下基础。
对外连接的端子采用XH-4A四芯插座，一根电源、一根地线、2根UART收发线，这样可方便的与其它设备连接，既给传感器供电，又可与传感器通讯，获取数据。
PCB设计尺寸约为42X43mm，设置了2个安装孔，孔距和GP2D12相同，便于替换原来使用GP2D12的场合。
PCB板图如下：
因为考虑做好后的传感器要具备一定的使用价值，所以体积略有控制，使用了一些SMD器件，给焊接带来了难度，但对于学习者而言，也提供了一个锻炼机会，因为SMD器件越来越多，很多MCU已无DIP封装。
焊接包含SMD器件的PCB也并非不可为之。
首先要有合适的工具，至少有尖头烙铁，30W即可；尖头镊子，用于抓取小器件。
此外最好使用细焊锡丝，我使用的是0.3mm的。
其次要注意焊接顺序：
先焊小的器件，本设计中为0603电阻、0805电容，之后焊接SOP的IC，最后再按器件的高度从矮到高依次焊接直插器件，体积较大的器件最后焊接，如本设计中的超声波传感器、变压器等。
焊接0603电阻、0805电容时，可尝试以下方法：
先将器件的一个焊盘上锡（注意：
如有一个是接大面积地线的，先给这个上锡，因为大面积地线的散热作用明显，会给后续焊接带来麻烦！
）：
然后用尖镊子拿住器件，先放在没有焊锡的焊盘上，再用镊子夹住（这样可保证器件贴着PCB）器件，同时用烙铁熔化上好锡的焊盘，平推器件到焊锡中，注意：
为了方便另一个焊盘的焊接，可适当偏向已上锡的焊盘，为另一侧焊盘留下较大的空间。
焊好一端后，可参照我介绍过的焊接工艺：
然后用免清洗的助焊剂略涂一些（如没有，可尝试用无水酒精，我没用过，不知效果），用细焊锡丝逐脚焊接，方法和焊接直插器件类似，先放上烙铁头，略延时后将焊丝送上，只是时间稍短，锡不要给的太多，以免连焊！
全部焊好后，可以用烙铁尖点IC引脚的端头，再次让焊点熔化一次，使焊锡更好的将引脚和PCB连接。
因为空间问题，所以有几个器件是放置在超声波收发器之下的，焊接时注意，将收发器焊的和变压器一样高即可，不要太低！
两个调整增益的电阻R7、R8、一个控制余波的限流电阻R5如觉得需要自己改变，以观察效果，可焊接在反面。
用于减弱余波的R6和初级的余波抑制电路两部分选择一个，建议选用初级的回波抑制电路，效果好一些，缺点是需要程序配合，且调试时如不慎会短路导致三极管损坏。
如采用初级的余波抑制电路，建议在调试程序时将跳线器断开，调好程序后再接上。
等一切就绪后如考虑传感器的可靠性，可将跳线器焊死。
在线路上设计了2组匹配电容，C7、C8组是为了调整发射回路已达到谐振状态的，C9、C10组是为了接收回路谐振的，需要通过测量使用的超声波收发器电容值以及相应的电感、变压器次级电感确定，因为超声波收发器的电容量差别较大，电感量也有些差异。
一般情况下将C7、C9短路即可，C8、C10不用处理（配套器材时会给出实际的值供参考，如有需要会附上匹配电容）。
焊接完成如下图：
（注意图中二极管的方向）
虽然设计是用UART作为输入、输出的接口，但由于MCU的SPI没有使用，所以在PCB上引出了（由于空间限制，比较勉强），如有特殊需要或想学习SPI的使用，也可将SPI口作为与传感器交换数据的通道：
5.2调试
调试分两步进行。
首先是超声波发射部分。
先断开跳线器，检测单片机输出的波形是否正确，测量R3接MCU端的信号，保证波形的频率、占空比及脉冲的个数正确（符合你程序控制的要求，目前的程序是发送10个脉冲）：
然后测试余波减弱控制信号（如果你选择了初级余波减弱电路，并且在软件上设计了），检测R4接MCU的端子（设计欠考虑，没有留测点），注意不要短路了！
最好有双通道的示波器，因为需要和发送脉冲匹配，此信号应该略延时于发送脉冲结束，我设计是约28us（想想为什么图中是接近44us）：
上述两个MCU控制调试好后，可以将跳线器接上，看一下驱动的波形和变压器次级的输出。
驱动波形测量D882的C端，也就是跳线器上。
次级波形可直接检测超声波发射器两端。
注意右侧的波形，峰值电压超过50V，所以你能够听到发射器发出的“啪啪”声。
如果有兴趣，可以检测一下有无余波消除的差别，因为要和余波控制信号同时观察，所以用驱动信号代替输出，由于变压器的偶合作用，信号是一样的，只是幅值不同。
注意，上图中左侧余波实际上远不止388us，由于变压器的升压作用，很小的驱动信号都可以产生接收器能感受的超声波，因为收、发之间太近了！
这样将使得近距离的回波淹没在余波中，导致测量范围缩小。
读者可以改变R5的数值观察一下右侧的效果的变化。
一个技巧：
要想确定是否达到谐振状态，可检测没有余波抑制时的余波信号，此时的频率即为谐振频率（图中用余波抑制控制信号来指明后面的波不是由MCU产生的）。
从上图可以看出谐振频率是40kHz。
至此，超声波发送部分基本完成。
超声波接收部分硬件比较简单，关键是软件上能控制好增益的变化，以及内部计时。
调试时首先检测一下C12上的信号，此处为TL852的第一级放大输出，在信号较强时可以看到波形，以确定超声波接收器及回路是否正常，至少能看到一组波，即发射时的信号，如果有比较近的物体，应该可以看到接着有一组波形，此信号即回波。
接着看看4路增益控制有无变换，检测MCU输出给TL852的增益控制信号（其中三个连接有过孔，测量方便），而是否正确主要靠软件逻辑的检查，用波形来判断有些困难。
上图为增益控制最低位GCA的波形，注意图中光标所示的时间，对照TL851资料，看看能否解释清楚:
P
确定增益控制有效后，检测SOUT端（或者C14），可以看到输出。
注意：
为了消除自己发射时收到的信号干扰测量，在发射时用MCU控制了SOUT端，使之处于对地短路状态（参见前述TL851的原理和说明），发射结束后释放。
之后在收到回波后，我设计的程序会根据设定的时间决定是否再次短路SOUT输出，以避免由于附近两侧的物体反射干扰。
超声波的发射、接收角度虽然号称是60度，但那是指强度大于一定数值的信号，实际上放宽信号强度会更宽，所以很近的物体虽然在测量角度以外，也许会测到。
这个功能在读者设计程序时自己确定是否需要！
此处只是作为参考。
SOUT的输出经过比较器后变为负跳脉冲，触发MCU中断，从而使MCU内部实现对回波的计时，即可计算出距离了，这部分在软件篇中讨论。
因为前述处理方式，中断的波形可能会比较窄，不容易测到，需要使用示波器的信号触发扫描功能。
至此，硬件部分应该算是调试结束了，而测量功能的实现主要取决于软件的设计
四调试“花絮”
现在DVD影碟都时髦附上拍摄花絮，将摄制过程中的一些“差错”汇总，以搏大家一笑。
我也在此效仿一下，将调试中遇到的值得关注的问题整理与此，但不是为了搏大家一笑，而是希望读者能从中悟出些东西，从而避免“重蹈覆辙”。
上面详细描述的已是第二版，第一版电路设计和PCB排版均有不少问题，调试后做了较多修改。
新PCB拿到后，我十分自信，边拍照边焊接，很快硬件就大功告成。
下载程序后，得意的启动测量，亲切的“啪啪”声即刻响起；随即接上示波器准备记录调试部分的波形。
可一看测量结果，给我当头一棒，测量数据根本不对。
拿示波器一看，晕！
没有发射信号时，C12上居然有连续不断的波形！
频率还正好是设计的谐振频率。
首先怀疑是此批TL852有问题，因为用的是新购买的；立刻用原来剩余的一片TL852又焊了一个，结果一样，汗！
当时有个不详的预感：
坏了，PCB排版不当，电路自激振荡了！
马上想到的是R7、R8电阻，因为第一版设计是0603器件，后为了便于DIY者修改参数，改为RT13，这样离超声波接收器就很近了（看PCB图），怀疑是R8的反馈信号耦合到超声波接收器端子上，导致振荡。
可割断电路改变位置后，依然如故。
只好依次将输入部分的各个器件脱离PCB，看是哪个导致的，直到电感移开后，问题消失了：
最后找出了问题所在：
是2个电感之间耦合；因为L1、L2并排紧挨着，又都是“工”字磁芯，漏磁较大；L2中是放大后的信号，L1是输入，这样就导致了自激振荡。
第一版PCB也是这样排的，可巧的是电感焊的方向不同，正好相位相反，所以没有暴露；而此次焊的2块均正好相位相同，形成正反馈，导致振荡。
后来我验证了，只要将L2交换引脚插入（不用焊），就可以轻松复现。
因为电感没有极性标志，所以读者如DIY此传感器，要注意，先不要焊接L2，其它都焊好后，通电，插入L2，用示波器测量C12的信号，如振荡则交换2个引脚，确定正常后再焊上。
考虑到多数学生没有示波器，我将在软件中设计一个检测功能，详见“软件篇”。
从这个插曲中可以看出，模拟电路排版还是挺讲究的，需要考虑因素远比数字电路多。
不过目前变换方向焊接后是否变成了负反馈？
对测量的影响是什么？
还望读者发表高见！
五、实验效果
为了便于测试，还是采用了PC辅助调试的方式，控制命令上设计了内存读写命令，以方便调试。
关于软件的设计，在后续“软件篇”中再作详细讨论。
由于使用的是USB转串口模式，USB的5V可作为超声波传感器的电源，调试起来十分方便，串口既作为下载程序的工具，又作为调试的手段：
现设计是以mm为单位，测试后发现稳定度还不错，波动不超过5mm，测量距离可在25cm——5m。
近距离受限是由于在软件中设置了防护，前面已有描述。
远距离似乎是灵敏度不够了，现在我用的第一级放大增益电阻都是4.7k（R7、R8），读者可以改变两者的比值以增大增益，看看是否能提高测量的距离。
由于是软件控制实现测量，所以十分灵活，作为示例，设计了3种工作模式：
1）单次测量，即发出一次命令，传感器按要求测量后返回一组数据，可指定采集的次数、采集后数据的处理方式等；
2）自动测量并返回数据，传感器按照指定的周期不断测量，并且将数据及时返回；
3）自动测量但不返回数据，传感器按照指定的周期不断测量，保存最近8次数据，需要时通过串口读出，可任意设定读出前几次。
这些只是一个示范而已，应用于具体场合时可自己编程以达到最佳的工作模式。
如用于检测是否有物体进入限定的区域，就可以将限定值“告知”传感器，传感器自动测量、判断，只有当有物体进入时才返回数据，通知系统，这样系统的软件开销可大大减低。
这就是用单片机作为传感器核心的优势。
七、结语
通过这个制作，证实了我对超声波测距原理的期望是正确的，而且也树立了自信。
第一次失败后对涉及模拟电路的项目有些发怵，不知道该如何解决遇到的问题。
想必有读者经历过和我一样的感受，所以费如此笔墨描述之，就是为了新参与者不再因模拟电路而“却步”。
不过从调试花絮中应该看出，模拟电路还是比数字电路考虑的问题要多一些。
同时，在测试中对于一些一知半解的概念有了深刻的理解，如“BLANKING”，“MultipleMeasurementCapability”等。
而且感受了超声波测量的“非指向性”，体会了GP2D12的“强指向性”，理解了为何GP2D12不可能被超声波测距所替代的道理，难怪GP2D12在国外的机器人部件市场上一直存在！
硬件部分基本完成，留一个题目给大家：
仔细分析一下TL852的2脚有什么作用？
可以为电路提供什么帮助？
基于它，能实现什么？
“软件篇”再见。
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