單片機(jī)的超聲波測距儀

1、?單片機(jī)的超聲波測距儀?發(fā)布時間： 2009-6-29閱讀次數(shù)： 1179字體大小 :【小】【中】【 大】來源 : 東哥單片機(jī)學(xué)習(xí)網(wǎng)作者 : 佚名參考： .picavr./news/2009-03/9037.htm單片機(jī)的超聲波測距儀。本超聲波測距儀通過測量超聲波發(fā)射到反射回來的時間差來測量與被測物體的距離?？梢詼y量 0.35-10m 的距離。實物圖如下：一、電路原理1 超聲波發(fā)射電路由兩塊 555集成電路組成。IC1 （ 555 ）組成超聲波脈沖信號發(fā)生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差別。條件 : RA =9.1M 、 RB=150KTL = 0.69 x R

2、B x C= 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6、 C=0.01F= 1 msecTH= 0.69 x (RA + RB) x C= 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6= 64 msecIC2組成超聲波載波信號發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出1ms頻率40kHz，占空比50 的脈沖，停止64ms。計算公式如下：條件 : RA =1.5K 、 RB=15KTL = 0.69 x RB x C= 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12、C=1000pF= 10 secTH= 0.69 x (RA + RB) x C

3、= 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12= 11 secf = 1/(TL + TH)= 1/(10.35 + 11.39) x 10-6)= 46.0 KHzIC3 （ CD4069）組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動電路。2 超聲波接收電路超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經(jīng)IC4的 2級放大1000倍（60dB），第1 級放大100 倍（ 40dB），第2 級放大10 倍（ 20dB）。由于一般的運算放大器需要正、負(fù)對稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9V ）供電，為保證其可靠工作，這里用R10和 R11進(jìn)行分壓，這時在 IC4的同相端有4

4、.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。C9 、D1 、 D2 、 C10 組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至IC5進(jìn)行處理。IC5 、IC6 、 IC7 、 IC8 、 IC9組成信號比較、測量、計數(shù)和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下面分析其工作原理。由 Ra 、 Rb 、 IC5組成信號比較器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb)= (47Kx 9V)/(1M+ 47K)= 0.4V所以當(dāng)A 點（ IC5的反相端）過來的脈沖信號電壓高于0.4V時， B點電壓將由高

5、電平"1"到低電平"0"。同時注意到在IC5的同相端接有電容C11和二極管D3 ，這是用來防止誤檢測而設(shè)置的。在實際測量時，在測距儀的周圍會有部分發(fā)出的超聲波直接進(jìn)入接收頭而形成誤檢測。為避免這種情況發(fā)生，這里用D3直接引入檢測脈沖來適當(dāng)提高IC5比較器的門限轉(zhuǎn)換電壓，并且這個電壓由C11保持一段時間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時，由于D3的作用使IC5的門限轉(zhuǎn)換電壓也隨之被提高，并且由于C11的放電保持作用，可防止這時由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當(dāng)測量距離小到一定程度時，由于D3及 C11的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響

6、。圖示參數(shù)的最小測量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環(huán)境溫度為 20時可做到30cm測量最短距離。此時其放電時間為1.75ms。IC6 組成 R-S 觸發(fā)器構(gòu)成時間測量電路?？梢钥闯?，在發(fā)出檢測脈沖時（A 端為高電平），D 端輸出高電平，當(dāng)收到反射回來的檢測脈沖時，C 端由高變低，此時D 端變?yōu)榈碗娖?，故輸出端D 的高電平時間即為測試脈沖往返時間。計數(shù)和顯示電路由IC6 、 IC7 、 IC8 、IC9組成， IC7組成計數(shù)電路脈沖發(fā)生器，原理圖如下。其工作頻率時的傳播速度為f = 1/(2.2 x C x R)。電路頻率設(shè)計在17.2kHz左右。這個頻率是根據(jù)聲波在環(huán)境溫度為343.

7、5m/s確定的。我們知道在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變，其關(guān)系為20 v331.5+0.6 ×t, 其中v 的單位為m/s,t為環(huán)境溫度，單位為。Temperature ( ) Speed of sound (m/sec)-10 325.50 331.510 337.520 343.530 349.540 355.550 361.5有關(guān)計算如下：測量距離為1m 的物體時，聲波的往返時間為：2m/343.5(m/s)=5.82ms。這時計數(shù)器顯示應(yīng)為100，即1m，此時計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率f 100/(5.82 ×10 -3)=17.18(kHz)。如電容C

8、( 即 C14)為 2200pF，此時電阻R = 1/(2.2 x C x f)= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103)= 12K由于在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會不同，為適應(yīng)不同環(huán)境溫度下測量的需要，我們要求電阻R 具有一定的調(diào)節(jié)圍，這里用VR2,VR3進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中VR2為粗調(diào)電阻，VR3為精調(diào)電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數(shù)脈沖頻率值，如：溫度為46.5 時，f = 1/(2.2 x C x R)= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103)17.97KHz環(huán)境溫度為1.5 時f = 1/(2.2 x C x

9、R) )= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz實際上，在不同環(huán)境溫度下時，我們只要測試標(biāo)準(zhǔn)距離1m，調(diào)節(jié)計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率（ VR2和 VR3），使其顯示為100 即可。這里簡單介紹一下計數(shù)器的清零及數(shù)據(jù)鎖存過程。A 點波形即表現(xiàn)測試脈沖往返的時間，當(dāng)A 點電位由低變高時，由于 C1 電壓不能突變，故B 點會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖信號使計數(shù)器清零，同時IC6與非門被打開，IC8 開始通過 CLOCK腳計數(shù)；同樣當(dāng)A 點電位由高變低時，由于C2 電壓不能突變，故C 點會產(chǎn)生一個鎖存脈沖信號使計數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，同時IC6的有關(guān)與非門被關(guān)閉，

10、IC8開始停止計數(shù)，完成計數(shù)過程C15 用于控制顯示部分的刷新頻率，當(dāng)C15 為 1000pF時，刷新頻率為1100Hz，由 IC9 、LED1-LED3、TR1 TR3 組成顯示電路。二、元件選擇這里采用的超聲波發(fā)射頭為T40-16,接收頭為R40-16.參數(shù)和外形如下：Item SpecificationsCenter frequency (KHz) 40Overpressure value (dB) 115 <Sensitivity (dB) -64 <Major diameter size(mm) Diameter 16.2 Height 12.2rito?interval

11、 10.0三、印刷電路板四、調(diào)試1 調(diào)整發(fā)射接收電路把 IC1從插座上拔下，并短接IC1插座的 1 和 3 腳，這時IC2的 4 腳應(yīng)為高電平，并會持續(xù)發(fā)出高頻載波信號，頻率約為40KHz ，此時可用示波器監(jiān)測IC4 的 1 腳信號。讓超聲波探頭朝向一面墻，使發(fā)出的超聲波返回而被接受器檢測到，同時用示波器檢測IC4的 1 腳信號，慢慢調(diào)節(jié)VR1 ，使 IC4 的 1 腳輸出信號最大。開 IC1插座的 1 和 3 腳短接線并插上IC1 ，此時再用示波器監(jiān)視IC4的 1 腳信號，應(yīng)能看到超聲波脈沖串。斷2 調(diào)整誤檢測電路通常該部分電路不需要調(diào)整，但如果發(fā)現(xiàn)測量幾米外的物體，電路始終顯示為發(fā)出的檢測

12、脈沖干擾。這時我們需檢查或稍許增多 C11 的容量，說明第0.401 條線測得于，這表明該儀器受到自身IC6的第 1 腳，第 2 條線測得于的 3腳，第3 條線測得于的 1腳，第4 條線測得于的 10腳。3 調(diào)節(jié)計數(shù)電路脈沖頻率讓電路板垂直于墻面 1m 處，調(diào)節(jié) VR3 在中間位置，再調(diào)節(jié) VR2 使顯示 1.00 ，但在環(huán)境溫度改變時，一般需再次調(diào)節(jié) VR2 ，校準(zhǔn)測距儀。4 關(guān)于短距離的測量當(dāng)我們將測距儀逐漸靠近被測物體，最終讀數(shù)顯示在34cm左右。因為這個電路C11 取值為 0.1uF ，由于防誤檢測電路的保護(hù)作用，所以最小測試距離限制為34cm左右，如要進(jìn)一步縮短測試距離，由前面分析可知，我們必須讓發(fā)出的測試脈沖寬度更窄，同時減小防誤檢測電路C11 的容量。但由于超聲波發(fā)射器的輸出功率有限，如