上篇：如何DIY一個(gè)屬于你的超聲波測(cè)距傳感器一：硬件設(shè)計(jì)

因?yàn)榭紤]做好后的傳感器要具備一定的使用價(jià)值，所以體積略有控制，使用了一些SMD器件，給焊接帶來(lái)了難度，但對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，也提供了一個(gè)鍛煉機(jī)會(huì)，因?yàn)镾MD器件越來(lái)越多，很多MCU已無(wú)DIP封裝。
焊接包含SMD器件的PCB也并非不可為之。
首先要有合適的工具，至少有尖頭烙鐵，30W即可；尖頭鑷子，用于抓取小器件。此外最好使用細(xì)焊錫絲，我使用的是0.3mm的。

其次要注意焊接順序：先焊小的器件，本設(shè)計(jì)中為0603電阻、0805電容，之后焊接SOP的IC，最后再按器件的高度從矮到高依次焊接直插器件，體積較大的器件最后焊接，如本設(shè)計(jì)中的超聲波傳感器、變壓器等。

焊接0603電阻、0805電容時(shí)，可嘗試以下方法：
先將器件的一個(gè)焊盤上錫（注意：如有一個(gè)是接大面積地線的，先給這個(gè)上錫，因?yàn)榇竺娣e地線的散熱作用明顯，會(huì)給后續(xù)焊接帶來(lái)麻煩?。?br>

然后用尖鑷子拿住器件，先放在沒(méi)有焊錫的焊盤上，再用鑷子夾?。ㄟ@樣可保證器件貼著PCB）器件，同時(shí)用烙鐵熔化上好錫的焊盤，平推器件到焊錫中，注意：為了方便另一個(gè)焊盤的焊接，可適當(dāng)偏向已上錫的焊盤，為另一側(cè)焊盤留下較大的空間。

焊好一端后，可參照我介紹過(guò)的焊接工藝：

然后用免清洗的助焊劑略涂一些（如沒(méi)有，可嘗試用無(wú)水酒精，我沒(méi)用過(guò)，不知效果），用細(xì)焊錫絲逐腳焊接，方法和焊接直插器件類似，先放上烙鐵頭，略延時(shí)后將焊絲送上，只是時(shí)間稍短，錫不要給的太多，以免連焊！
全部焊好后，可以用烙鐵尖點(diǎn)IC引腳的端頭，再次讓焊點(diǎn)熔化一次，使焊錫更好的將引腳和PCB連接。

直插器件的焊接在此就不再贅述，圓夢(mèng)小車的安裝說(shuō)明中已有詳細(xì)交待。
因?yàn)榭臻g問(wèn)題，所以有幾個(gè)器件是放置在超聲波收發(fā)器之下的，焊接時(shí)注意，將收發(fā)器焊的和變壓器一樣高即可，不要太低！

兩個(gè)調(diào)整增益的電阻R7、R8、一個(gè)控制余波的限流電阻R5如覺(jué)得需要自己改變，以觀察效果，可焊接在反面。

用于減弱余波的R6和初級(jí)的余波抑制電路兩部分選擇一個(gè)，建議選用初級(jí)的回波抑制電路，效果好一些，缺點(diǎn)是需要程序配合，且調(diào)試時(shí)如不慎會(huì)短路導(dǎo)致三極管損壞。
如采用初級(jí)的余波抑制電路，建議在調(diào)試程序時(shí)將跳線器斷開，調(diào)好程序后再接上。等一切就緒后如考慮傳感器的可靠性，可將跳線器焊死。

在線路上設(shè)計(jì)了2組匹配電容，C7、C8組是為了調(diào)整發(fā)射回路已達(dá)到諧振狀態(tài)的，C9、C10組是為了接收回路諧振的，需要通過(guò)測(cè)量使用的超聲波收發(fā)器電容值以及相應(yīng)的電感、變壓器次級(jí)電感確定，因?yàn)槌暡ㄊ瞻l(fā)器的電容量差別較大，電感量也有些差異。
一般情況下將C7、C9 短路即可，C8、C10不用處理（配套器材時(shí)會(huì)給出實(shí)際的值供參考，如有需要會(huì)附上匹配電容）。
焊接完成如下圖：（注意圖中二極管的方向）

雖然設(shè)計(jì)是用UART作為輸入、輸出的接口，但由于MCU的SPI沒(méi)有使用，所以在PCB上引出了（由于空間限制，比較勉強(qiáng)），如有特殊需要或想學(xué)習(xí)SPI的使用，也可將SPI口作為與傳感器交換數(shù)據(jù)的通道：

5.2 調(diào)試
調(diào)試分兩步進(jìn)行。首先是超聲波發(fā)射部分。
先斷開跳線器，檢測(cè)單片機(jī)輸出的波形是否正確，測(cè)量R3接MCU端的信號(hào)，保證波形的頻率、占空比及脈沖的個(gè)數(shù)正確（符合你程序控制的要求，目前的程序是發(fā)送 10個(gè)脈沖）：

然后測(cè)試余波減弱控制信號(hào)（如果你選擇了初級(jí)余波減弱電路，并且在軟件上設(shè)計(jì)了），檢測(cè)R4接MCU的端子（設(shè)計(jì)欠考慮，沒(méi)有留測(cè)點(diǎn)），注意不要短路了！最好有雙通道的示波器，因?yàn)樾枰桶l(fā)送脈沖匹配，此信號(hào)應(yīng)該略延時(shí)于發(fā)送脈沖結(jié)束，我設(shè)計(jì)是約 28us（想想為什么圖中是接近 44us）：

上述兩個(gè)MCU控制調(diào)試好后，可以將跳線器接上，看一下驅(qū)動(dòng)的波形和變壓器次級(jí)的輸出。驅(qū)動(dòng)波形測(cè)量D882 的C端，也就是跳線器上。次級(jí)波形可直接檢測(cè)超聲波發(fā)射器兩端。

注意右側(cè)的波形，峰值電壓超過(guò)50V，所以你能夠聽到發(fā)射器發(fā)出的“啪啪”聲。
如果有興趣，可以檢測(cè)一下有無(wú)余波消除的差別，因?yàn)橐陀嗖刂菩盘?hào)同時(shí)觀察，所以用驅(qū)動(dòng)信號(hào)代替輸出，由于變壓器的偶合作用，信號(hào)是一樣的，只是幅值不同。

注意，上圖中左側(cè)余波實(shí)際上遠(yuǎn)不止388us，由于變壓器的升壓作用，很小的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都可以產(chǎn)生接收器能感受的超聲波，因?yàn)槭?、發(fā)之間太近了！這樣將使得近距離的回波淹沒(méi)在余波中，導(dǎo)致測(cè)量范圍縮小。
讀者可以改變R5的數(shù)值觀察一下右側(cè)的效果的變化。
一個(gè)技巧：要想確定是否達(dá)到諧振狀態(tài)，可檢測(cè)沒(méi)有余波抑制時(shí)的余波信號(hào)，此時(shí)的頻率即為諧振頻率（圖中用余波抑制控制信號(hào)來(lái)指明后面的波不是由MCU產(chǎn)生的）。


從上圖可以看出諧振頻率是 40kHz。
至此，超聲波發(fā)送部分基本完成。
超聲波接收部分硬件比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是軟件上能控制好增益的變化，以及內(nèi)部計(jì)時(shí)。
調(diào)試時(shí)首先檢測(cè)一下C12上的信號(hào)，此處為TL852 的第一級(jí)放大輸出，在信號(hào)較強(qiáng)時(shí)可以看到波形，以確定超聲波接收器及回路是否正常，至少能看到一組波，即發(fā)射時(shí)的信號(hào)，如果有比較近的物體，應(yīng)該可以看到接著有一組波形，此信號(hào)即回波。

接著看看4路增益控制有無(wú)變換，檢測(cè)MCU輸出給TL852的增益控制信號(hào)（其中三個(gè)連接有過(guò)孔，測(cè)量方便），而是否正確主要靠軟件邏輯的檢查，用波形來(lái)判斷有些困難。

上圖為增益控制最低位GCA的波形，注意圖中光標(biāo)所示的時(shí)間，對(duì)照TL851資料，看看能否解釋清楚 : P
確定增益控制有效后，檢測(cè)SOUT端（或者C14），可以看到輸出。

注意：為了消除自己發(fā)射時(shí)收到的信號(hào)干擾測(cè)量，在發(fā)射時(shí)用MCU控制了SOUT端，使之處于對(duì)地短路狀態(tài)（參見前述TL851的原理和說(shuō)明），發(fā)射結(jié)束后釋放。之后在收到回波后，我設(shè)計(jì)的程序會(huì)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間決定是否再次短路SOUT輸出，以避免由于附近兩側(cè)的物體反射干擾。
超聲波的發(fā)射、接收角度雖然號(hào)稱是60度，但那是指強(qiáng)度大于一定數(shù)值的信號(hào)，實(shí)際上放寬信號(hào)強(qiáng)度會(huì)更寬，所以很近的物體雖然在測(cè)量角度以外，也許會(huì)測(cè)到。這個(gè)功能在讀者設(shè)計(jì)程序時(shí)自己確定是否需要！此處只是作為參考。
SOUT的輸出經(jīng)過(guò)比較器后變?yōu)樨?fù)跳脈沖，觸發(fā)MCU中斷，從而使MCU內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)回波的計(jì)時(shí)，即可計(jì)算出距離了，這部分在軟件篇中討論。
因?yàn)榍笆鎏幚矸绞?，中斷的波形可能?huì)比較窄，不容易測(cè)到，需要使用示波器的信號(hào)觸發(fā)掃描功能。

讀者可對(duì)照?qǐng)D6 理解上述波形。
至此，硬件部分應(yīng)該算是調(diào)試結(jié)束了，而測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)主要取決于軟件的設(shè)計(jì)。
5.3 調(diào)試“花絮”
現(xiàn)在DVD影碟都時(shí)髦附上拍攝花絮，將攝制過(guò)程中的一些“差錯(cuò)”匯總，以搏大家一笑。我也在此效仿一下，將調(diào)試中遇到的值得關(guān)注的問(wèn)題整理與此，但不是為了搏大家一笑，而是希望讀者能從中悟出些東西，從而避免“重蹈覆轍”。
上面詳細(xì)描述的已是第二版，第一版電路設(shè)計(jì)和PCB排版均有不少問(wèn)題，調(diào)試后做了較多修改。
新PCB拿到后，我十分自信，邊拍照邊焊接，很快硬件就大功告成。
下載程序后，得意的啟動(dòng)測(cè)量，親切的“啪啪”聲即刻響起；隨即接上示波器準(zhǔn)備記錄調(diào)試部分的波形。
可一看測(cè)量結(jié)果，給我當(dāng)頭一棒，測(cè)量數(shù)據(jù)根本不對(duì)。
拿示波器一看，暈！沒(méi)有發(fā)射信號(hào)時(shí)，C12上居然有連續(xù)不斷的波形！頻率還正好是設(shè)計(jì)的諧振頻率。
首先懷疑是此批TL852有問(wèn)題，因?yàn)橛玫氖切沦?gòu)買的；立刻用原來(lái)剩余的一片TL852又焊了一個(gè)，結(jié)果一樣，汗！

當(dāng)時(shí)有個(gè)不詳?shù)念A(yù)感：壞了，PCB排版不當(dāng)，電路自激振蕩了！
馬上想到的是R7、R8電阻，因?yàn)榈谝话嬖O(shè)計(jì)是0603器件，后為了便于DIY者修改參數(shù)，改為RT13，這樣離超聲波接收器就很近了（看PCB圖），懷疑是R8的反饋信號(hào)耦合到超聲波接收器端子上，導(dǎo)致振蕩。可割斷電路改變位置后，依然如故。
只好依次將輸入部分的各個(gè)器件脫離PCB，看是哪個(gè)導(dǎo)致的，直到電感移開后，問(wèn)題消失了：

最后找出了問(wèn)題所在：是2個(gè)電感之間耦合；因?yàn)長(zhǎng)1、L2并排緊挨著，又都是“工”字磁芯，漏磁較大；L2中是放大后的信號(hào)，L1是輸入，這樣就導(dǎo)致了自激振蕩。
第一版PCB也是這樣排的，可巧的是電感焊的方向不同，正好相位相反，所以沒(méi)有暴露；而此次焊的2塊均正好相位相同，形成正反饋，導(dǎo)致振蕩。
后來(lái)我驗(yàn)證了，只要將L2 交換引腳插入（不用焊），就可以輕松復(fù)現(xiàn)。
因?yàn)殡姼袥](méi)有極性標(biāo)志，所以讀者如DIY此傳感器，要注意，先不要焊接L2，其它都焊好后，通電，插入L2，用示波器測(cè)量C12的信號(hào)，如振蕩則交換2個(gè)引腳，確定正常后再焊上。
考慮到多數(shù)學(xué)生沒(méi)有示波器，我將在軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)功能，詳見“軟件篇”。
從這個(gè)插曲中可以看出，模擬電路排版還是挺講究的，需要考慮因素遠(yuǎn)比數(shù)字電路多。
不過(guò)目前變換方向焊接后是否變成了負(fù)反饋？對(duì)測(cè)量的影響是什么？還望讀者發(fā)表高見！

六、實(shí)驗(yàn)效果
為了便于測(cè)試，還是采用了PC輔助調(diào)試的方式，控制命令上設(shè)計(jì)了內(nèi)存讀寫命令，以方便調(diào)試。
關(guān)于軟件的設(shè)計(jì)，在后續(xù)“軟件篇”中再作詳細(xì)討論。
由于使用的是USB轉(zhuǎn)串口模式，USB的5V可作為超聲波傳感器的電源，調(diào)試起來(lái)十分方便，串口既作為下載程序的工具，又作為調(diào)試的手段：

PC機(jī)軟件的調(diào)試界面如下：

現(xiàn)設(shè)計(jì)是以mm 為單位，測(cè)試后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定度還不錯(cuò)，波動(dòng)不超過(guò)5mm，測(cè)量距離可在 25 cm —— 5m。
近距離受限是由于在軟件中設(shè)置了防護(hù)，前面已有描述。遠(yuǎn)距離似乎是靈敏度不夠了，現(xiàn)在我用的第一級(jí)放大增益電阻都是4.7k（R7、R8），讀者可以改變兩者的比值以增大增益，看看是否能提高測(cè)量的距離。
由于是軟件控制實(shí)現(xiàn)測(cè)量，所以十分靈活，作為示例，設(shè)計(jì)了3種工作模式：
1）單次測(cè)量，即發(fā)出一次命令，傳感器按要求測(cè)量后返回一組數(shù)據(jù)，可指定采集的次數(shù)、采集后數(shù)據(jù)的處理方式等；
2）自動(dòng)測(cè)量并返回?cái)?shù)據(jù)，傳感器按照指定的周期不斷測(cè)量，并且將數(shù)據(jù)及時(shí)返回；
3）自動(dòng)測(cè)量但不返回?cái)?shù)據(jù)，傳感器按照指定的周期不斷測(cè)量，保存最近8次數(shù)據(jù)，需要時(shí)通過(guò)串口讀出，可任意設(shè)定讀出前幾次。
這些只是一個(gè)示范而已，應(yīng)用于具體場(chǎng)合時(shí)可自己編程以達(dá)到最佳的工作模式。如用于檢測(cè)是否有物體進(jìn)入限定的區(qū)域，就可以將限定值“告知”傳感器，傳感器自動(dòng)測(cè)量、判斷，只有當(dāng)有物體進(jìn)入時(shí)才返回?cái)?shù)據(jù)，通知系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)的軟件開銷可大大減低。這就是用單片機(jī)作為傳感器核心的優(yōu)勢(shì)。
七、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)這個(gè)制作，證實(shí)了我對(duì)超聲波測(cè)距原理的期望是正確的，而且也樹立了自信。第一次失敗后對(duì)涉及模擬電路的項(xiàng)目有些發(fā)怵，不知道該如何解決遇到的問(wèn)題。想必有讀者經(jīng)歷過(guò)和我一樣的感受，所以費(fèi)如此筆墨描述之，就是為了新參與者不再因模擬電路而“卻步”。
不過(guò)從調(diào)試花絮中應(yīng)該看出，模擬電路還是比數(shù)字電路考慮的問(wèn)題要多一些。
同時(shí)，在測(cè)試中對(duì)于一些一知半解的概念有了深刻的理解，如“BLANKING”，“Multiple Measurement Capability”等。而且感受了超聲波測(cè)量的“非指向性”，體會(huì)了GP2D12的“強(qiáng)指向性”，理解了為何GP2D12不可能被超聲波測(cè)距所替代的道理，難怪GP2D12 在國(guó)外的機(jī)器人部件市場(chǎng)上一直存在！
硬件部分基本完成，留一個(gè)題目給大家：仔細(xì)分析一下TL852的2腳有什么作用？可以為電路提供什么幫助？基于它，能實(shí)現(xiàn)什么？
“軟件篇”再見。