自制超声波接收模块

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 5 TL852 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6 TL852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 7 TL851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 42X43 mm，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。

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