引用

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上篇：如何DIY一个属于你的超声波测距传感器一：硬件设计

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{zh0}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，{zh1}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{zh1}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。

直插器件的焊接在此就不再赘述，圆梦小车的安装说明中已有详细交待。
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！{zh0}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“xx”声。
如果有兴趣，可以检测一下有无余波xx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{dy}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{zd1}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xx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。

读者可对照图6 理解上述波形。
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。
5.3 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，{dy}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“xx”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{dy}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：

{zh1}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。
{dy}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！

六、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：

PC机软件的调试界面如下：

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 25 cm —— 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{dy}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{zj0}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。{dy}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”，“Multiple Measurement Capability”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。