超聲波測距儀的制作

1、這里介紹一款國外的不使用單片機的超聲波測距儀。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： 原理圖如下： 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=150K、 C=0.01FTL = 0.69 x RB x C  = 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x

2、 10-6  = 1 msec   TH  = 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=15K、 C=1000pFTL = 0.69 x RB x C  = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 1

3、0-12  = 10sec   TH  = 0.69 x (RA + RB) x C  = 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12  = 11sec   f = 1/(TL + TH)  = 1/(10.35 + 11.39) x 10-6)  = 46.0 KHz IC3（CD4069）組成超聲波發(fā)射頭驅動電路。 2 超聲波接收電路     

4、;    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進行分壓，這時在IC4的同相 端有4.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質量，不至于產生信號失真。 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進行處理。   

5、 IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號比較、測量、計數和顯示電路，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)  = (47K x 9V)/(1M + 47K)  = 0.4V     所以當A點（IC5的反相端）過來的脈沖信號電壓高于0.4V時，B點電壓將由高電平"1"到低電平

6、"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提高IC5比較器的門限轉換電壓，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。圖示參數的最小測量距離在40cm

7、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。    計數和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計數電路脈沖發(fā)生器，原理圖如下。 其工作頻率f = 1/(2.2 x C x R)。電路頻率設計在17.2kHz左右。這個頻率是根據聲波在環(huán)境溫度為20

8、時的傳播速度為343.5m/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，其關系為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)-10325.50331.510337.520343.530349.540355.550361.5有關計算如下：     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。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發(fā)生器的頻 率f100/(5.82×10

9、-3)=17.18(kHz)。如電容C(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具有一定的調節(jié)范圍，這里用VR2,VR3進行調節(jié)，其 中VR2為粗調電阻，VR3為精調電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數脈沖頻率值，如：溫度為46.5 時，f = 1/(2.2 x C x R)  = 1/(2.2 x 2200 x

10、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 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，我們只要測試標準距離1m，調節(jié)計數電路脈沖發(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器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現(xiàn)測試脈沖往返的時間，當A點電位由低變高時，由于C1電壓不能突

11、變，故B點會產生一個復位脈 沖信號使計數器清零，同時IC6內與非門被打開，IC8開始通過CLOCK腳計數；同樣當A點電位由高變低時，由于C2電壓不能突變，故C點會產生一個鎖 存脈沖信號使計數器數據被鎖存，同時IC6的有關與非門被關閉，IC8開始停止計數，完成計數過程。   C15用于控制顯示部分的刷新頻率，當C15為1000pF時，刷新頻率為1100Hz，由IC9、LED1-LED3、TR1TR3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R40-16.參數和外形如下：ItemSpecificationsCenter

12、frequency (KHz)40Overpressure value (dB)115 <Sensitivity (dB)-64 <Major diameter size(mm)Diameter16.2Height12.2rito interval10.0三、印刷電路板   四、調試1 調整發(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

13、被接受器檢測到，同時用示波器檢測IC4的1腳信號，慢慢調節(jié)VR1，使IC4的 1腳輸出信號最大。 斷開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，應能看到超聲波脈沖串。 2 調整誤檢測電路    通常該部分電路不需要調整，但如果發(fā)現(xiàn)測量幾米外的物體，電路始終顯示為0.40，這表明該儀器受到自身發(fā)出的檢測脈沖干擾。這時我們需檢查或稍許增多 C11的容量，說明第1條線測得于IC6的第1腳，第2條線測得于IC5的3腳，第3條線測得于IC4的1腳，第4條線測得于IC6的10腳。 3 調節(jié)計數電路脈沖頻率     讓電路板垂直于墻面1m處，調節(jié)VR3在中間位置，再調節(jié)VR2使顯示1.00，但在環(huán)境溫度改變時，一般需再次調節(jié)VR2，校準測距儀。4 關于短距離的測量     當我們將測距儀逐漸靠近被測物體，最終讀數顯示在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作用，所以最小測試距離限制 為34cm左右，如要進一步縮短測試距離，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