超声波测距电子电路设计详解

　　在自主行走机器人系统中，机器人要实现在未知和不确定环境下行走，必须实时采集环境信息，以实现避障和导航，这必须依靠能实现感知环境信息的传感器系统来实现。视觉、红外、激光、超声波等传感器都在行走机器人中得到广泛应用。由于超声波测距方法设备简单、价格便宜、体积小、设计简单、易于做到实时控制，并且在测量距离、测量精度等方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本文所介绍的机器人采用三方超声波测距系统，该系统可为机器人识别其运动的前方、左方和右方环境而提供关于运动距离的信息。

　　超声波测距原理

　　超声波发生器内部由两个压电片和一个共振板组成。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未加外电压，当共振板接收到超声波时，就成为超声波接收器。超声波测距一般有两种方法：①取输出脉冲的平均电压值，该电压与距离成正比，测量电压即可测量距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，根据被测距离s=vt？2来得到测量距离，由于超声波速度v与温度有关，所以如果温度变化比较大，应通过温度补偿的方法加以校正。

　　本测量系统采用第二种方法，由于测量精度要求不是特别高，所以可以认为温度基本不变。本系统以PIC16F877单片机为核心，通过软件编程实现其对外围电路的实时控制，并提供给外围电路所需的信号，包括频率振动信号、数据处理信号等，从而简化了外围电路，且移植性好。系统硬件电路方框图见图1。

　　图1 系统硬件电路方框图

　　由于本系统只需要清楚机器人前方、左方、右方是否有障碍物，并不需要知道障碍物与机器人的具体距离，因此不需要显示电路，只需要设定一距离阀值，使障碍物与机器人的距离达到某一值时，单片机控制机器人电机停转，这可通过软件编程实现。

　　超声波发射电路

　　超声波发射电路以PIC16F877为核心，当单片机上电时，单片机从RA0口产生40kHz的超声波信号，但是此时该信号无法通过与非门进入放大电路使超声波发射头发射超声波，只有闭合开关S1时，从RA1口发射出一门控信号，该信号的频率为4kHz，同时启动单片机内部的定时器TMR1，开始计数。该门控信号每发射一个周期的波形，超声波就会发射10个完整的波形，这可由它们的频率得出。超声波的周期为1（40kHz）=01025ms，而门控信号的周期为1（4kHz）=0125ms。最后根据s=vt2求出障碍物与移动机器人的距离。当超声波接收头收到反射回来的超声波时，计数器停止计数，时间t 可以根据计数器的计数与门控信号的周期求出。RA2口接RS触发器，RS触发器可以自动控制超声波的发射和停止。本系统的电路还包括人工复位电路，由单片机的MCLR引脚接S2来控制，超声波发射电路图见图2。

　　图2 超声波发射电路图

　　门控电路（RS触发器）

　　为实现对超声波发射和接收的自动控制，须在电路中加一门控电路，该门控信号频率为4kHz，如把输出脉冲作为闸门信号，让已知频率fc的脉冲恰好通过闸门，那么t=NTc，其中，Tc为已知脉冲的周期，N为脉冲的个数。门控电路由RS触发器组成，当输入端R=1（S=0）时复位，即输出端Q=0;当R=0（S=1）时置位，即Q=1。RS触发器与单片机的RA2口相连。

　　超声波放大电路

　　超声波放大电路由三极管等组成，由于单片机RA口最多只有20mA～25mA上拉电流，而超声波发射器最小需要60mA的电流，所以在与非门后加一级放大电路来放大电流，以完成超声波的发射。超声波放大发射电路见图3。

　　图3 超声波放大发射电路图

　　超声波接收放大电路

　　由于超声波接收头接收到的超声波信号很微弱，所以在其后需加一超声波接收放大电路。该电路采用两个集成运放，设计为两级，两级都为同相输入，因为同相输入的电压放大倍数为1+RfR，所以每一级的放大倍数为10，两级放大倍数接近100倍，这样后续电路就可以很容易地检测到输入的信号。集成运放采用双电源供电，超声波接收放大电路见图4。

　　图4 超声波接收放大电路图

　　信号滤波电路

　　从信号放大电路出来的声波带有一定的干扰，为了去除干扰信号，需要一滤波电路，信号滤波电路选用带通滤波器电路，使其中心频率为40kHz、带宽为2kHz，外加一过零比较器，使输出信号转化为方波信号。信号滤波电路见图5。

　　图5 信号滤波电路图

　　信号整形电路

　　从信号滤波电路出来的方波信号很不规则，故其后加一整形电路，整形电路由两级非门串联，并联一电阻组成，整形后再送单片机进行处理，信号整形电路见图6。

　　图6 信号整形电路图

　　本文设计的超声波测距系统采用了单片机编程技术，配合硬件完成了系统的要求，其精度能满足大部分的工程需要。与传统的测距系统相比，具有结构简单、价格便宜、移植性好等特点。

　　串联电池组广泛应用于手携式工具、笔记本电脑、通讯电台以及便携式电子设备、航天卫星、电动自行车、电动汽车、储能装置中。为了使电池组的可用容量最大化及提高电池组的可靠性，电池组中的单体电池性能应该一致，从而需对单体电池进行监控，即需要对单体电池的电压进行测量。

　　串联电池组电压测量的方法有很多，目前应用较多的是差分检测型与电流源检测型两种。差分检测型需要2个电阻对的阻值严格匹配，否则将影响电池组电压的检测精度，该方法使用中为了减少检测线漏电流对电池组一致性的影响，需要增加电阻的阻值，这样将增加了大规模生产的难度并降低了检测精度。而电流检测型的检测电路中仅需要一个电阻对的阻值匹配，提到为了提高检测的精度，需要小阻值的电阻匹配，但增大了检测线漏电流。在实际使用过程中为了减小检测线漏电流对电池组一致性的影响，以及减少电压检测电路的功耗，需要在电压检测线路上增加开关控制器件，往往采用光耦或者光电继电器。电流型电压检测电路具有较好的性能，但当电压低于2V时无法进行检测，首先对电压检测电路进行了改进，扩大了电压检测范围。其次以改进的电压检测电路并以光电继电器作为控制开关，对影响电压检测精度的因素进行了分析和实验，最后通过一种电子开关的方式来取代光电继电器，从而提高了电压检测精度。

　　图2 电压测量电路原理图

　　采样电路参考电压为2.5V，因此需要把电池电压进行2倍衰减，所以选择了R1=2R2，电路中电容C1为去耦电容，电阻R5为限流电阻，电阻R4用于保证电路可靠工作，为了减少电压检测电路的漏电流，在每节单体电池电压检测线上加入AQW216光电继电器作为检测控制开关，如图2所示，当需要检测电池电压时，通过控制端打开光电继电器，检测完关闭光电继电器，可有效减少检测时的漏电流对电池组一致性的影响。

　　AD7674能提供3种不同转换速率工作方式，以便对不同的具体应用优化性能。这3种工作模式如下：WARP，允许采样率高达800 kHz。然而在这种模式下只有当转换之间的时间不超过1ms 时，才能保证其转换的精度。如果连续两次转换之间的时间大于1 ms，第一次转换的结果就会被忽略，这种模式适合于要求快速采样率的应用。NORMAL，这种模式的采样率为666 kHz，在这种模式下对采样转换之间的时间没有限制，既可保证高的转换精度又可确保快速的采样速率。IMPULSE，一种低功耗模式，其采样率为570 kHz。

　　只用1块C8051F060芯片即可完成单片机8051的各种控制，多路A／D 转换和D／A 转换，I2C、SPI 数据总线传输，RS232、RS485串口通信等功能，从而大大减少了元器件的种类，缩小了印制板的面积，节约了成本，提高了系统可靠性。而其交叉开关方式的配置， 使I／O 口应用更加灵活方便。AD7674与C8051F060的接口电路图为AD7674在高速采集系统中的外围电路和接口电路。外围电路包括电压基准输入的设计、模拟电压输入部分的设计、模拟和数字电源供电的设计及接口电路的设计。接口电路包括AD7674与C8051F060和CPLD 的接口。