超声波控制系统正文.docx

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超声波控制系统正文

基于超声波通信的多路控制系统

摘要

随着电子、通信技术的不断发展，对于系统以及电器机械的控制经历了由有线到无线的，由人工到智能的飞跃式发展。

大大方便了人们的生活和生产活动。

本文介绍的基于超声波控制系统是基于超声波发射和接受电路、编码译码电路等，实现数据的发射和传输，从而最终实现对多路系统的控制。

本设计采用了T∕R40-16作为超声波传感器，PT2262∕2272作为编码译码芯片，这些核心元器件功耗低，性能稳定，价格低廉，而且信号传输采用的超声波通信具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、抗干扰能力较强等优点，从而使本设计结构简单、性能稳定、安全性高、价格低廉等优点，相信会有很好的应用前景。

关键词：

超声波发射接收，PT2262编码，PT2272译码，T∕R40-16超声波传感器

Themulti-waycontrolsystembasedonUltrasoundcommunications

Author:

Tutor:

Abstract

Astheelectronandcommunicationtechniquescontinuouslyimprove,forthecontrolsystemsandelectricalmachineryexperiencedfromwiredtowireless,frommanualtointellectualleapsandbounds.Greatconvenienceshavebeentakentopeople'slivesandproductionactivities.Thisarticledescribestheultrasound-basedcontrolsystemisbasedontheultrasonictransmittingandreceivingcircuits,codinganddecodingcircuittorealizedatatransmissionandtransmission,andtherebyachievecontrolofthemultiplesystems.ThisdesignusesaT/R40-16asultrasonicsensors,PT2262/2272ascodinganddecodingchip,thesecorecomponentsandlowpowerconsumption,stableperformance,lowcost,andtheultrasonicsignaltransmissionusingadirectionalcommunicationisgood,energyconcentration,lessattenuationduringtransmission,theadvantagesofstronganti-interferenceability,sothatthedesignofsimplestructure,stableperformance,highsecurity,lowcostadvantages,Ibelievetherewillbeagoodprospect.

Keywords:

ultrasonictransmittingandreceiving,PT2262coding,PT2272decoding,T/R40-16ultrasonicsensor

目录

1绪论…………………………………………………………………………….….……1

1.1课题背景及目的…………………………..………………………………….…....1

1.2国内外研究状况..………………………………………………………………….1

1.3论文构成及课题研究内容…………………………………………………..…….1

2超声波无线控制系统的原理框图..………………………………………………………3

3超声波简介………………………………………………………………………….……4

4超声波控制系统各部分电路的说明……………………………………………….……5

4.1编码解码芯片PT2262/PT2272简介..…………………………………..………...5

4.2编码发射电路………………………………………………..……………………8

4.2.1编码电路工作原理…………………………………………………………8

4.2.2超声波发射模块工作原理………………………………………...………9

4.3接收解码电路………………………………………………………………...…..11

4.3.1接收原理…………………………………………..…………………….…12

4.3.2解码原理…………………………………………………………………...12

5电源设计…………………………………………………………………..……………13

结论………………………………………………………………………………………15

致谢……………………………………………………..…………………………………16

参考文献……………………………………………………………..………………………17

附录………………………………………………………………………………………18

1绪论

1.1课题背景及目的

控制系统是实现对机电、电器产品等实施控制的重要组成部分，对机电、电器产品的正常工作有着不可替代的作用。

随着科学技术的发展，特别是电子通信技术的发展，以及人们对控制要求的提高，对系统的控制发生了日新月异的发展变化，经历了从有线到无线，从人工到智能的跨越式发展。

尤其是在一些可能对人类的健康安全造成危害的工作场所，机电产品的非有线控制，已相当普遍的被使用，同时随着电器的发展，人们对近距离的电器的现场遥控以及无线通信的技术指标要求越来越高，这大大加速了无线控制系统的发展。

其中基于超声波通信实现的系统控制也是非有线控制的重要组成部分，本设计的目的就是要利用超声波通信，实现对多路系统的控制，并且该控制系统足够简单廉价、稳定，能够实现大规模的应用。

1.2国内外研究状况

无线通信技术主要包括超声波通信、红外通信技术、蓝牙（Bluetooth）通信技术、WiFi通信技术以及其它无线射频通信技术等，其中，超声波通信是一种十分成熟的通信技术，具有功耗低、连接方便、简单易用等优点。

而超声波无线控制是一种无线、非接触控制技术，具有信息传输可靠、抗干扰能力强、安全度高、功耗低、成本低、易实现等显著优点，是目前应用广泛的一种通信和遥控手段。

超声波的应用起步较早，最初的应用为声纳。

科学家根据蝙蝠避开障碍物的原理发现了超声波，并利用它做成了声纳，起到了海下探测远方物体的作用，时至今日，超声波已经得到了很好的利用，特别是在工业无损检测、定位以及近距离控制等领域。

1.3论文构成及课题研究内容

本文介绍的是一种基于超声波通信的简易的多路控制系统，通过超声波信号的收发以及主控芯片的控制实现对信号的收发和对多路系统的控制。

主要由发射系统和接收系统两大部分组成。

其工作原理是首先通过输入所需相应控制电路的位号或者按动相应开关的控制按钮，同时启动编码电路产生带有地址编码信息和系统状态信息的编码脉冲信号，再通过超声波发射电路将该信号发射出去。

而超声波接收电路将接收到的脉冲编码信号通过解码电路进行编码地址确认，确认是否为本系统的地址，如果是，则解码电路产生相应的输出信号控制系统受控工作，如果不是，则解码电路不解码，系统保持原状态不变。

超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物体位置测量仪等都可以通过超声波来实现。

超声波传感器可广泛应用于非接触式检测领域，它不受光线、被测物颜色等影响，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力，因此在水文液位测量、车辆自动导航、物体识别等领域有着广泛的应用，相信本设计会有很好的应用前景。

2超声波无线控制系统的原理框图

（发射部分）

（接收部分）

图2.1超声波控制系统原理框图

超声波控制系统的结构如图2.1所示，分为发射与接收两部分，应用编码/解码专用芯片来控制操作。

发射部分包括输入、编码调制、驱动电路、超声波发送器（将电信号转换为超声机械波）等；接收部分包括超声波接收器（将超声机械波转换为电信号）、前置放大、解调与指令译码、驱动与执行等电路。

系统简要工作原理：

通过按键输入需要控制的端口的状态及地址，信号经过PT2262编码后通过超声波发射电路发送出去，超声波接收电路将接收到的超声波信号经过PT2272的解码，然后发送到控制器控制系统中。

3超声波简介

本设计数据的采用的是超声波传输，超声波的应用起步较早，最初的应用为声纳。

科学家根据蝙蝠避开障碍物的原理发现了超声波，并利用它做成了声纳，起到了海底探测远方物体的作用。

超声波具有不可见、不会对家用电器造成干扰等优点，所以在近距离控制、测距、通信等领域深受人们的青睐。

超声波是声波大家族中的一员。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

声波是属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。

当声波的频率低于16Hz时就叫次声波，超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物体位置测量仪等都可以通过超声波来实现。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面也能达到工业实用的要求。

超声波传感器可广泛应用于非接触式检测方法，它不受光线和电磁场、被测物颜色等影响，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力，因此在水文液位测量、车辆自动导航、物体识别等领域有着广泛的应用。

超声波具有如下特性：

　　1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，且可传播足够远的距离。

　　2）超声波可传递很强的能量且超声波在传播时方向性强，能量易于集中。

　　3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4）超声波在液体介质中传播时，超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。

本设计就是应用超声波携带控制数据信号，完成信号数据的传输，从而实现对系统的控制的目的。

4超声波控制系统各部分电路的说明

4.1编码解码芯片PT2262/PT2272简介

PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空，接高电平，接低电平），任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于超声波发射电路。

编码芯片PT2262发出的编码信号有：

地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。

当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以38KHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间38KHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间40KHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。

PT2262/2272特点：

CMOS工艺制造，低功耗，外部元器件少，RC振荡电阻，工作电压范围宽：

2.6～15v，数据码为4位时，此时地址码可达6561种。

编码器PT2262发送的编码信号是由：

地址码、数据码、同步码组成的一个完整码字，最多可以有12位（A0-Al1）三态地址端引脚（悬空、高电平、低电平），任意组合可提供531441个地址码。

PT2262每发射一次，至少发送4组相同编码字码，每组字码之间有同步码隔开，其同步码（低电平）约12ms。

每组字码有l2位A／D码，每个A／D位是由2个脉冲表示：

2个窄脉冲则表示⋯0；2个宽脉冲表示“1”；1个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”，即地址码“悬空”；除此之外，每组字码之间还有一个同步码隔开，所以每组字码共计有25个宽度不同的脉冲。

图4.1PT2262引脚图

PT2262芯片引脚排列图如图4.1所示，其各引脚功能如下：

A0～A5为地址输入端，地址管脚，用于进行地址编码可编制成3种状态（“1”，“0”和开路）。

A6／DS~A1l／D0为地址或数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，取决于接收端的译码器。

既可作为地址，又可作为数据输入。

作为地址输入时，可编成“1”、“0”和开路3种状态；作为数据输入时，可编成“1”和“0”两种状态。

最大编码容量为

TE端为发射使能端，低电平有效。

OSC1振荡电阻输入端，外接振荡电阻器，决定电路时钟频率。

OSC2振荡电阻振荡器输出端

DOUT为数据输出端。

由各地址、数据的不同状态而决定的各位编码由此脚串行输出。

DOUT端输出的数据信号调制在38kHz载波上。

要使载波频率为38kHz，则应选择振荡电阻（430470Q）使振荡频率为载波频率的2倍（即76kHz）。

Vcc电源正端（＋）

Vss电源负端（－）

Dout编码输出端（正常时为低电平）

解码电路采用编解码芯片组PT2262/2272中的解码芯片PT2272。

该芯片内部有地址解码、振荡和系统定时、数据检测、同步检测、控制逻辑、译码逻辑电路。

PT2272的A0～A7端是芯片的地址码设置端口，只有接收端的地址码和发射端的地址码设置完全相同，输出端才有输出信号。

解码芯片PT2272将数据输入端接收到的信号，经内部电路解码辨识确认。

如果所接收到的信号地址码与本地址编码相同，DO～D3输出信号控制继电器电路，从而控制相应的开关电路动作。

否则，解码芯片不解码，继电器电路不响应，开关电路保持原有的工作状态不变。

图4.2PT2272外形图及引脚图

PT2272引脚图如图4.2所示，其各引脚功能如下：

A0-A11地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”，“1”，“f”（悬空），必须与2262一致，否则不解码

D0-D5地址或数据管脚，当做为数据管脚时，只有在地址码与2262一致，数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平，否则输出为低电平，锁存型只有在接收到下一数据才能转换。

Vcc电源正端（＋）

Vss电源负端（－）

DIN数据信号输入端，来自接收模块输出端

OSC1振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；

OSC2振荡电阻振荡器输出端；

VT17解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）

4.2编码发射电路

图4.3超声波编码发射电路

如图4.3所示是40kHZ超声波发射电路，其工作原理如下：

通过触发按键K1-K4键入所要控制的系统或数据，送到PT2262，经PT2262编码以后，由Dout端发出。

并且电路中两个晶体管组成强反馈稳频振荡器（其振荡频率等于超声波换能器T40-16的共振频率），经过稳频振荡器后PT2262发射出去的电信号通过超声波传感器T40-16转化成一系列的超声波信号发射出去。

T40-16是放大器的负载元件，对于电路来说又是输出换能器。

T40-16两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。

4.2.1编码电路工作原理

编码电路主要是对控制信号以及地址进行编码，设置地址码的原则是：

同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。

PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近甚至无法接收。

PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片。

其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁。

在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：

悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用。

PT2262-IR发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。

由各地址、数据的不同连接状态决定，编码从输出端Dout输出，通过超声波传感器发射出去。

地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”，也就是地址码的“悬空”，其编码时序波形如图4.4所示。

图4.4PT2262编码时序图

Dout输出的编码信号是调制在40kHz载波上的，OSC1、OSC2外接的电阻决定载频频率。

2262每次发射时至少发射4组字码，2272只有在连续两次检测到相同的地址码加数据码后，才会把数据码中的“1”驱动相应的数据输出端为高电平和驱动VT端同步为高电平。

因为非接触发射的特点，第一组字码非常容易受零电平干扰，往往会产生误码，所以程序可以丢弃处理。

4.2.2超声波发射模块工作原理

众所周知,电子装置可以采用超声波、红外线或无线电波作为媒介来传输信息、进行控制,但从控制距离和抗干扰能力来说,超声波的优势明显,并且可以用简单的电路实现远距离的控制和定位、检测等。

以超声波作为信息传输手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

如果采用成品发射、接收（组件）模块来设计产品,则整个电路的设计和制作将更为方便可靠,可达到事半功倍。

这里采用的是超声波发射传感器T40-16。

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电信号，所以它可以分成发送器或接收器。

超声波传感器包括三个部分：

超声换能器、处理单元和输出级。

T40系列超声波传感器是利用压电效应工作的传感器，通常我们又称之为换能器。

此类传感器最适用于防盗报警和遥控使用。

其外形和符号如图4.5所示。

图4.5T40系列超声波传感器外形和符号

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部结构如图4.6所示，它有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，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。

图4.6超声波发生器内部结构

超声波传感器的核心是其塑料外壳或者金属外中壳的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

（1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

（2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

（3）灵敏度。

主要取决于晶片，机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。

4.3接收解码电路

图4.7超声波接收译码电路

超声波接收译码电路如图4.7所示，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1高通放大器放大，然后将信号送到PT2272的DIN端，经过PT2272的解码后，将控制信号送到所要控制的系统，中间信号还要经过电路对信号的进一步处理。

4.3.1接收原理

超声波的接收可以看成是超声波的发射的逆向工作，大部分可以互换。

如果压电晶片两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

接收传感器是把收到的超声波转换成电信号，业内称做压电转换；发射传感器是把设备送来的电信号转换成超声波信号，然后发射到材料中，称做压电逆转换效应。

因此，超声波的发射和接收一般不加区别，大部分可以互换。

只在特殊条件下，发射和接收才不能互换，如内置防伪加密电路时。

本设计采用的超声波接收传感器是超声波传感器型号是R40-16。

R40-16的外形及一些特性通T-40基本相同，这里不再多说。

4.3.2解码原理

在超声波无线控制系统的接收端采用PT2272对接收到的信号进行解码，去40kHz的载波信号，得到超声波输入信号的包络调制信号。

芯片PT2272接收到信号后，其地址需要经过两次比较核对后，ＶＴ脚才输出高电平，于此同时相应的数据脚也输出高电平，发送到控制端，控制继电器工作。

5电源设计

本设计需要需要用直流稳压电源，本设计所用的直流电源是由电网提供的交流电经过整流、滤波和稳压以后得到的。

直流稳压电源主要有电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成，图5.1为直流稳压电源的组成框图和工作过程，其中U1为电网电压。

图5.1直流稳压电源组成框图和整流稳压过程

直流稳压电源的工作原理：

由于各种电子设备所需要直流电压的幅值各不相同，因此需要先将电网电压经过电源变压器，然后将变换以后的二次电压再去整流、滤波和稳压。

整流电路的作用是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动电压。

滤波器主要由电容、电感等储能元件组成。

它的作用是尽可能地将单向脉冲电压中的脉动成分滤掉，是输出成为比较平滑的直流电压。

经过滤波电路的处理输出的已经是直流电压，但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出的直流电压的幅值也将随之发生变化，在要求较高的电子设备中，这种情况是不允许出现的，会对电子电路和元器件造成损害，也影响电子电路工作的稳定性，所以还要加上稳压电路。

稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。

这部分比较简单，不再多述。

结论

在以人为主的自然界里到处都充满着可被人们利用的宝贵财富，声波就是其中一种，特别是超声波得到了广泛的应用。

人类也是依靠自己的聪明才智不断开发利用这些资源，加上人类的创造形成了各种各样的知识财富，超声波非接触控制就是其中的一种。

具有巨大的使用价值。

本文主要应用超声波通信实现非接触控制，主要应用于室内照明、系统控制等。

但本电路决不仅仅限于室内照明的应用，稍加改造也适合于其他场所的应用，这大大方便人类的生活，同时再一些危险的工作场所也保障而来人类的安全，是人类的