超聲波測(cè)距儀的制作

1、這里介紹一款國(guó)外的不使用單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀。本超聲波測(cè)距儀通過(guò)測(cè)量超聲波發(fā)射到反射回來(lái)的時(shí)間差來(lái)測(cè)量與被測(cè)物體的距離。可以測(cè)量 0.35-10m的距離。實(shí)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(hào)發(fā)生器，工作周期計(jì)算公式如下，實(shí)際電路中由于元器件等誤差，會(huì)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(hào)發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號(hào)控制，輸出1ms頻率40kHz，占空比50的脈沖，停止64ms。計(jì)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(qū)動(dòng)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(hào)的檢測(cè)和放大。反射回來(lái)的超聲波信號(hào)經(jīng)IC4的2級(jí)放大1000倍（60dB），第1級(jí)放大100倍（40dB），第 2級(jí)放大10倍（20dB）。   由于一般的運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對(duì)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(shí)在IC4的同相 端有4.5V的中點(diǎn)電壓，這樣可以保證放大的交流信號(hào)的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號(hào)失真。 C9、D1、D2、C10組成的倍壓檢波電路取出反射回來(lái)的檢測(cè)脈沖信號(hào)送至IC5進(jìn)行處理。   

5、 IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號(hào)比較、測(cè)量、計(jì)數(shù)和顯示電路，即比較和測(cè)量從發(fā)出的檢測(cè)脈沖和該脈沖被反射回來(lái)的時(shí)間差。它是超 聲波測(cè)距電路的核心，下面分析其工作原理。    由Ra、Rb、IC5組成信號(hào)比較器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb)  = (47K x 9V)/(1M + 47K)  = 0.4V     所以當(dāng)A點(diǎn)（IC5的反相端）過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)電壓高于0.4V時(shí)，B點(diǎn)電壓將由高電平"1"到低電平

6、"0"。同時(shí)注意到在IC5的同相端接有電容 C11和二極管D3，這是用來(lái)防止誤檢測(cè)而設(shè)置的。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，在測(cè)距儀的周圍會(huì)有部分發(fā)出的超聲波直接進(jìn)入接收頭而形成誤檢測(cè)。為避免這種情況發(fā)生， 這里用D3直接引入檢測(cè)脈沖來(lái)適當(dāng)提高IC5比較器的門限轉(zhuǎn)換電壓，并且這個(gè)電壓由C11保持一段時(shí)間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測(cè)脈沖時(shí)，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(shí)由于檢測(cè)脈沖自身的干擾而形成的誤檢測(cè)。由以上可知，當(dāng)測(cè)量距離小到一 定程度時(shí)，由于D3及C11的防誤檢測(cè)作用，其近距離測(cè)量會(huì)受到影響。圖示參數(shù)的最小測(cè)量距離在40cm

7、左右。減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20 時(shí)可做到30cm測(cè)量最短距離。此時(shí)其放電時(shí)間為1.75ms。   IC6組成R-S觸發(fā)器構(gòu)成時(shí)間測(cè)量電路?？梢钥闯?，在發(fā)出檢測(cè)脈沖時(shí)（A端為高電平），D端輸出高電平，當(dāng)收到反射回來(lái)的檢測(cè)脈沖時(shí)，C端由高變低，此 時(shí)D端變?yōu)榈碗娖?，故輸出端D的高電平時(shí)間即為測(cè)試脈沖往返時(shí)間。    計(jì)數(shù)和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計(jì)數(shù)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(shè)計(jì)在17.2kHz左右。這個(gè)頻率是根據(jù)聲波在環(huán)境溫度為20

8、時(shí)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(huì)有所改變，其關(guān)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(guān)計(jì)算如下：     測(cè)量距離為1m的物體時(shí)，聲波的往返時(shí)間為：2m/343.5(m/s)=5.82ms。這時(shí)計(jì)數(shù)器顯示應(yīng)為100，即1m，此時(shí)計(jì)數(shù)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(shí)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(huì)不同，為適應(yīng)不同環(huán)境溫度下測(cè)量的需要，我們要求電阻R具有一定的調(diào)節(jié)范圍，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(jì)數(shù)脈沖頻率值，如：溫度為46.5 時(shí)，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(shí)f = 1/(2.2 x C x R) ) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz     實(shí)際上，在不同環(huán)境溫度下時(shí)，我們只要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)距離1m，調(diào)節(jié)計(jì)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(jiǎn)單介紹一下計(jì)數(shù)器的清零及數(shù)據(jù)鎖存過(guò)程。A點(diǎn)波形即表現(xiàn)測(cè)試脈沖往返的時(shí)間，當(dāng)A點(diǎn)電位由低變高時(shí)，由于C1電壓不能突

11、變，故B點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈 沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)IC6內(nèi)與非門被打開，IC8開始通過(guò)CLOCK腳計(jì)數(shù)；同樣當(dāng)A點(diǎn)電位由高變低時(shí)，由于C2電壓不能突變，故C點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鎖 存脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，同時(shí)IC6的有關(guān)與非門被關(guān)閉，IC8開始停止計(jì)數(shù)，完成計(jì)數(shù)過(guò)程。   C15用于控制顯示部分的刷新頻率，當(dāng)C15為1000pF時(shí)，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(shù)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(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(shí)IC2的4腳應(yīng)為高電平，并會(huì)持續(xù)發(fā)出高頻載波信號(hào)，頻率約為40KHz，此時(shí)可用示波 器監(jiān)測(cè)IC4的1腳信號(hào)。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(cè)到，同時(shí)用示波器檢測(cè)IC4的1腳信號(hào)，慢慢調(diào)節(jié)VR1，使IC4的 1腳輸出信號(hào)最大。 斷開IC1插座的1和3腳短接線并插上IC1，此時(shí)再用示波器監(jiān)視IC4的1腳信號(hào)，應(yīng)能看到超聲波脈沖串。 2 調(diào)整誤檢測(cè)電路    通常該部分電路不需要調(diào)整，但如果發(fā)現(xiàn)測(cè)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(cè)脈沖干擾。這時(shí)我們需檢查或稍許增多 C11的容量，說(shuō)明第1條線測(cè)得于IC6的第1腳，第2條線測(cè)得于IC5的3腳，第3條線測(cè)得于IC4的1腳，第4條線測(cè)得于IC6的10腳。 3 調(diào)節(jié)計(jì)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(shí)，一般需再次調(diào)節(jié)VR2，校準(zhǔn)測(cè)距儀。4 關(guān)于短距離的測(cè)量     當(dāng)我們將測(cè)距儀逐漸靠近被測(cè)物體，最終讀數(shù)顯示在34cm左右。因?yàn)檫@個(gè)電路C11取值為0.1uF，由于防誤檢測(cè)電路的保護(hù)作用，所以最小測(cè)試距離限制 為34cm左右，如要進(jìn)一步縮短測(cè)試距離，由前面分析可知，我們必須讓發(fā)出的測(cè)試脈沖寬度更窄，同時(shí)減小防誤