专利名称：抑制超声测量盲区的控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种抑制超声测量盲区的控制器，主要用于在利用超声回波原理测距时抑制其测量盲区。
背景技术：
在利用超声回波原理测距时，增大测量范围和减小测量盲区往往是相互制约的。当换能器确定后，欲增大测量范围，需提高发射激励功率，以确保在距离较远时有足够强的回波信号，但发射功率的增强又会使发射波的拖尾加长，从而导致测量盲区加大；反过来，欲减小测量盲区，需减小发射波的激励功率，使发射波的拖尾减小，但另一方面却又减小了有效的测量距离。
目前，解决这一矛盾的方法主要有两种。一是从换能器的结构入手，通过适当的结构设计，在考虑提高换能器灵敏度的同时，采取恰当措施抑制余振和附频振动，从而使换能器具有较高的灵敏度且有较小的发射波拖尾，但这种方法也同样面临着提高灵敏度和减小发射波拖尾的矛盾，所以作用有限。
另一种方法是采用时变增益放大器，即根据回波信号的幅度随传播时间按指数规律衰减的特点，将接收放大器设计成增益随时间按指数规律增加的时变增益放大器，在一定范围内，使远近不同的回波信号都能均衡地放大到适当的幅度，避免了发射波拖尾信号的过放大，因此，在一定程度上减小了测量盲区。然而，分析可知，这种方法最终受到发射波拖尾信号的限制，当回波信号与响应位置拖尾信号相等时，改变增益也无济于事。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种抑制超声测量盲区的控制器，它能够自动根据测量距离的远近来控制发射功率的大小，以最大限度的减小测量盲区。
实现本实用新型目的的技术方案是一种抑制超声测量盲区的控制器，包括超声波传感器T，其特征是具有由单片机1、控制驱动信号持续时间TW的门控电路2、振荡电路3、升压电路4、超声传感器T组成的发射功率控制电路5，以及由单稳态触发器7、数字电位器8、电容器9构成宽度可控的尾波整形覆盖电路10，单片机1与数字电位器8、门控电路2相联接，发射功率控制电路5经放大电路6与尾波整形覆盖电路10相联接。
而且，振荡电路3由三极管BG2、电容C1、C2、C3、C4、C5、电感L1、电阻R3、R4、R5、R6组成；门控电路2由电阻R1、R2、三极管BG1和单片机的一根IO口线组成；升压电路4由电容C6、电阻R7、R8、实现功率推动的三极管BG3、BG4和高频升压变压器T1组成；单片机的P0.0端经电阻R1与三极管BG1的基极相连接，其P1.0～P1.7端经总线与显示器相连接，其P2.0～P2.7端经总线与数字电位器相连接。其INTO则与单稳态触发器7的Q端相连接，放大电路6的输入端接变压器T1和传感器T，其输出端接触发器7的B端，触发器7的A和Q互接，其RC端经数字电位器8接触发器7的cext端和电容9，触发器的CLR端接电源VCC，电容9的另一端接地。
在本技术方案中，当测量距离较远时，拖尾信号不构成影响，故采用较强的发射功率。当测量距离较近时，回波信号衰减较小，此时，主要考虑抑制盲区的问题，故采用较小的发射功率，以减小发射波的拖尾，从而减小盲区，即自动根据测量距离的远近控发射功率的大小。也就是通过控制驱动信号的持续时间TW，在一定程度上控制发射波的功率的大小，进而实现对测量盲区的控制。对比实验的测试结果表明，当使用超声波传感器的频率为40KHZ，最大测量距离为25m时。没采用本控制器之前，TW固定为2.5ms，盲区约为1.2m。采用本控制器后，量程不变，盲区可减小到0.2m。可见本方法抑制盲区的效果是十分显著的。
图1是实测发射波幅度与TW的关系曲线图。
图2是本控制器的电路原理图。
具体实施方式
参照图1、图2，本实用新型所述的是一种抑制超声测量盲区的控制器，包括超声波传感器T，其特征是具有由单片机1、控制驱动信号持续时间TW的门控电路2、振荡电路3、升压电路4、超声传感器T组成的发射功率控制电路5，以及由单稳态触发器7、数字电位器8、电容器9构成宽度可控的尾波整形覆盖电路10，单片机1与数字电位器8、门控电路2相联接，发射功率控制电路5经放大电路6与尾波整形覆盖电路10相联接。
进一步的技术方案是振荡电路3由三极管BG2、电容C1、C2、C3、C4、C5、电感L1、电阻R3、R4、R5、R6组成；门控电路2由电阻R1、R2、三极管BG1和单片机的一根IO口线组成；升压电路4由电容C6、电阻R7、R8、实现功率推动的三极管BG3、BG4和高频升压变压器T1组成；单片机的P0.0端经电阻R1与三极管BG1的基极相连接，其P2.0～P2.7端经总线与数字电位器相连接。其INTO则与单稳态触发器7的Q端相连接，放大电路6的输入端接变压器T1和传感器T，其输出端接触发器7的B端，触发器7的A和Q互接，其RC端经数字电位器8接触发器7的cext端和电容9，触发器的CLR端接电源VCC，电容9的另一端接地。
所述放大电路6为运算放大器A及相应辅助器件构成的常规放大电路(见电子学教科书)，具有放大和过压保护功能。运算放大器A可选用的芯片型号LM318或LF353等通用运算放大器；单稳态触发器7的芯片型号74123等单稳态触发器；单片机1的芯片型号89c51，显然，还可以选用与该型号功能似的其它单片机1芯片。
当采用一定宽度的波群信号激励时，如图1(图中，I为发射波幅度与TW的关系曲线，II为连续波驱动时发射波的幅度，III为线性功率调控关系)，在一定范围内，改变波群的宽度TW可以改变发射功率的大小。这是因为从激励开始，超声波传感器T的振动幅度是从零开始逐渐增大的，随激励时间的增加，超声波的辐射功率也是逐渐增大的，需经历一段时间后才能到达最大振幅(即相当于连续波驱动时的振幅)。以40KHZ的超声传感器为例，实验表明，当持续激励时间达到2ms(即TW＝2ms)时，激励波群包含了80个脉冲波，此时传感器的振动幅度达到最大，接近连续波驱动的情况；当驱动时间TW减小到1ms时，驱动波包含40个脉冲周期，此时驱动功率已明显减小，发射波的幅度约为前者的3/5。进一步减小TW，发射波的幅度还将显著减小。
所述振荡电路3可以是典型的电容三点式振荡电路，它产生频率稳定的近似正弦波振荡信号。调整电感L1可改变信号的频率。通常其频率f被调整到与超声波换能器的工作频率一致。振荡电路3的工作受门控电路2控制。门控电路2产生一个开闭信号，控制振荡电路的起振或停振，使之产生一个间歇式振荡波形输出。当单片机的IO口线输出的门控信号TW为低电平时，BG1截止，振荡电路正常工作；反之，当TW输出高电平时，BG1导通，BG2基极电压被拉低，使BG2截止，振荡电路停振。间歇振荡信号的宽度由门控信号TW宽度确定。升压电路4的三极管BG3、BG4的作用是实现功率推动，变压器T1实现升压。振荡电路3输出的间歇波经升压电路4升压后激励超声换能器5，产生脉冲超声波输出。门控信号TW直接由单片机1的I/O口线控制实现。TW的大小则可利用单片机的内部定时器来实现。单片机根据当前距离L，按式(2)计算出相应的TW值，交由内部定时器实现定时(如利用8031的TO定时计数器)。在发射开始时启动计数器开始计数，同时令TW为低电平。当计数达到设定值时，停止计数并使TW为高电平，关闭振荡电路。对应I/O端口输出相应宽度的控制信号TW。
为了便于实施，对本技术方案作以下更为详尽的描述。根据图1和不同距离对发射功率的要求及实际发射波拖尾信号的长度情况可以确定相应的门控信号的宽度TW。为计算方便，本文采用了如下线性控制关系TW=K·L+TW0,L≤4mTW=Tmax,L>4m---(1)]]>其中L为测量距离，TW0为门控信号的最小宽度，Tmax为门控信号的最大宽度，K为比例常数，相关参数可由实验确定。
如在信号频率为40KHz时，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值为当前测量距离。
由于发射波拖尾信号的宽度是随发射功率而变的，为了保证拖尾波不影响回波的接收，需要用相应宽度的方波覆盖拖尾波，同时覆盖波的宽度不能过宽，否则，将使测量盲区加大。因此，覆盖波的宽度也应随发射功率调整。由实验可知，一般发射波的拖尾宽度约为激励信号宽度的2～3倍，故可取覆盖波的宽度为 TF＝3～4TW (3)尾波覆盖电路由单稳态触发器7、数字电位器8、电容9及单片机1等部分组成，构成一个宽度可控的方波整形电路7，实现对拖尾信号的覆盖。改变I/O口的输出，即可改变RW的大小，从而改变单稳态触发器的时间常数，进而改变覆盖波的宽度TF。
覆盖宽度为TF≈DR0C，其中C、R0为常数，D为单片机P2口的输出值。
由(3)式可得控制输出信号为D＝(3～4)TW/R0C (4)本控制器的工作过程是单片机在程序的控制下按(2)式设置与TW宽度相对应的定时值到定时器，同时打开单片机内部定时器进行定时，并令TW为低电平，启动振荡电路3产生振荡，经升压电路4升压后驱动超声传感器T产生超声波发射，与此同时，通过相应的P2口按(4)式设置数字电位器RW的合适值，将尾波覆盖信号调整到相应的宽度。当定时时间到，即门控信号宽度达到设定值时，引发单片机中断，单片机将TW置为高电平，关闭振荡电路，从而完成发射信号宽度的信号控制和实现发射功率与测量盲区的控制。与此同时，单片机1根据回波信号在INTO1端引起的中断时间，计算出相应的距离，以作为下次盲区控制计算的依据。
显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若这些修改和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1.一种抑制超声测量盲区的控制器，包括超声波传感器(T)，其特征是具有由单片机(1)、控制驱动信号持续时间(TW)的门控电路(2)、振荡电路(3)、升压电路(4)、超声传感器(T)组成的发射功率控制电路(5)，以及由单稳态触发器(7)、数字电位器(8)、电容器(9)构成宽度可控的尾波整形覆盖电路(10)，单片机(1)与数字电位器(8)、门控电路(2)相联接，发射功率控制电路(5)经放大电路(6)与尾波整形覆盖电路(10)相联接。
2.根据权利要求1所述的控制器，其特征是振荡电路(3)由三极管(BG2)、电容(C1、C2、C3、C4、C5)、电感(L1)、电阻(R3、R4、R5、R6)组成；门控电路(2)由电阻(R1、R2)、三极管(BG1)和单片机的一根IO口线组成；升压电路(4)由电容(C6)、电阻(R7、R8)、实现功率推动的三极管(BG3、BG4)和高频升压变压器(T1)组成；单片机的P0.0端经电阻(R1)与三极管(BG1)的基极相连接，其P2.0～P2.7端经总线与数字电位器相连接，其INTO则与单稳态触发器(7)的Q端相连接，放大电路(6)的输入端接变压器(T1)和传感器(T)，其输出端接触发器(7)的B端，触发器(7)的A和Q互接，其RC端经数字电位器(8)接触发器(7)的cext端和电容(9)，触发器的CLR端接电源(VCC)，电容(9)的另一端接地。
专利摘要一种抑制超声测量盲区的控制器，包括超声波传感器T，其特征是具有由单片机1、控制驱动信号持续时间TW的门控电路2、振荡电路3、升压电路4、超声传感器T组成的发射功率控制电路5，以及由单稳态触发器7、数字电位器8、电容器9构成宽度可控的尾波整形覆盖电路10，单片机1与数字电位器8、门控电路2相联接，发射功率控制电路5经放大电路6与尾波整形覆盖电路10相联接。本控制器能十分显著地抑制超声测量盲区。
文档编号G01S15/08GK2727702SQ200420017290
公开日2005年9月21日 申请日期2004年3月1日 优先权日2004年3月1日
发明者马志敏, 刘珍秧, 刘爱东 申请人:武汉大学