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。可以測量0.35-10m的距離。實物圖如下：電子開發(fā)社區(qū)門戶(nsQ9eo6r.n
電子開發(fā)社區(qū)門戶2C%i3UMWlD
原理圖如下：電子開發(fā)社區(qū)門戶$zTV} P ^ B^(` o
一、電路原理
NoPv ]P1E634731 超聲波發(fā)射電路
7g.f^)?|0o:h-L63473 由兩塊555集成電路組成。IC1（555）組成超聲波脈沖信號發(fā)生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差別。
h H#C3c$\5s63473
電子開發(fā)社區(qū)門戶 Ogp A#pS5g7W$O2A
條件: RA =9.1MΩ、 RB=150KΩ、 C=0.01μF
`)n!d Y+f&L} F(q63473TL = 0.69 x RB x C 電子開發(fā)社區(qū)門戶Sd Z5k^$Ia
= 0.69 x 150 x 103x 0.01 x 10-6 = 1 msec
.s5zo3^}\"\d63473
,k E3ztvN\63473TH = 0.69 x (RA + RB) x C
'[f0u,G9b9jZu*G63473 = 0.69 x 9250 x 103x 0.01 x 10-6 = 64 msec
xq*D L+aQR/A6F63473電子開發(fā)社區(qū)門戶O^4Fy N/J1va(O
IC2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：
#N{8P,v k{(aD63473
電子開發(fā)社區(qū)門戶E ^ hL,]&`|;l u
條件: RA =1.5KΩ、 RB=15KΩ、 C=1000pF電子開發(fā)社區(qū)門戶yN4S3j}`G)j,O3Bm
TL = 0.69 x RB x C
9u `1rUouKv63473 = 0.69 x 15 x 103x 1000 x 10-12 = 10μsec 電子開發(fā)社區(qū)門戶Da g Pr%^KNLF
電子開發(fā)社區(qū)門戶0{h c!Q"x'x B8f'T|^
TH = 0.69 x (RA + RB) x C 電子開發(fā)社區(qū)門戶gKt{+ip Z"R4\c6d
= 0.69 x 16.5 x 103x 1000 x 10-12 = 11μsec
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$q\f+i%X^,`63473f = 1/(TL + TH) 電子開發(fā)社區(qū)門戶&w8N5PxG@$A#C
= 1/((10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz
UqP6F Up V*o+T63473IC3（CD4069）組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動電路。電子開發(fā)社區(qū)門戶/i` XvT
2 超聲波接收電路
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電子開發(fā)社區(qū)門戶:mg4Z G:XwVMe k
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(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。電子開發(fā)社區(qū)門戶 q!L,W jg
電子開發(fā)社區(qū)門戶mC nW"F3~"L gsy
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。電子開發(fā)社區(qū)門戶vQ |-`+r*N&t OM'mZN
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。電子開發(fā)社區(qū)門戶_y0E+@Js#A
電子開發(fā)社區(qū)門戶/|lhkB @ S {.k
由Ra、Rb、IC5組成信號比較器。其中
&?-L7G"ST"sp1N+u [63473VRf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb) = (47KΩ x 9V)/(1MΩ + 47KΩ) = 0.4V 電子開發(fā)社區(qū)門戶9B ?-NK]\t Xj^
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"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(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(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。
(d4j w$Vi7k63473
電子開發(fā)社區(qū)門戶:D H!YlP.|1T
IC6組成R-S觸發(fā)器構(gòu)成時間測量電路。可以看出，在發(fā)出檢測脈沖時（A端為高電平），D端輸出高電平，當收到反射回來的檢測脈沖時，C端由高變低，此時D端變?yōu)榈碗娖剑瘦敵龆薉的高電平時間即為測試脈沖往返時間。電子開發(fā)社區(qū)門戶[i.^ q z8{
(R }2u&|6Uz Vh7i}5R63473 計數(shù)和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計數(shù)電路脈沖發(fā)生器，原理圖如下。電子開發(fā)社區(qū)門戶 t:N)O6c8C4k'B M ^0F:A+~
\"T])Cpd{63473其工作頻率f = 1/(2.2 x C x R)。電路頻率設計在17.2kHz左右。這個頻率是根據(jù)聲波在環(huán)境溫度為20℃ 時的傳播速度為343.5m/s確定的。我們知道在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變，其關(guān)系為v＝331.5+0.6×t,其中v的單位為m/s,t為環(huán)境溫度，單位為℃。
5|n_B8[5] s63473
| Temperature (℃) | Speed of sound (m/sec) |
|---|---|
| -10 | 325.5 |
| 0 | 331.5 |
| 10 | 337.5 |
| 20 | 343.5 |
| 30 | 349.5 |
| 40 | 355.5 |
| 50 | 361.5 |
電子開發(fā)社區(qū)門戶e+aCSVy4A9n二、元件選擇
gB b P%R6^2rt63473 這里采用的超聲波發(fā)射頭為T40-16,接收頭為R40-16.參數(shù)和外形如下：電子開發(fā)社區(qū)門戶^3Z)ARS&u ]
| Item | Specifications | |
|---|---|---|
| Center frequency (KHz) | 40 | |
| Overpressure value (dB) | 115 < | |
| Sensitivity (dB) | -64 < | |
| Major diameter size "T8hY(e,F63473(mm) |
Diameter | 16.2 |
| Height | 12.2 | |
| [rito] ゙ interval | 10.0 | |
三、印刷電路板電子開發(fā)社區(qū)門戶$zL.d~ b5?F
四、調(diào)試電子開發(fā)社區(qū)門戶 nR+[2`p ~6aR/PY
1 調(diào)整發(fā)射接收電路
)T dJ!jq'| sY63473 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。 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。電子開發(fā)社區(qū)門戶x h&g1Q \GZ vbR4t'j
Z+_!D6h,F0n5E/Q634732 調(diào)整誤檢測電路
I_$l x.@Q ?6Z6Q63473 通常該部分電路不需要調(diào)整，但如果發(fā)現(xiàn)測量幾米外的物體，電路始終顯示為0.40，這表明該儀器受到自身發(fā)出的檢測脈沖干擾。這時我們需檢查或稍許增多C11的容量，說明第1條線測得于IC6的第1腳，第2條線測得于IC5的3腳，第3條線測得于IC4的1腳，第4條線測得于IC6的10腳。電子開發(fā)社區(qū)門戶5o'{.ty~Ir%`
電子開發(fā)社區(qū)門戶#D)[v\ j1P${j
3 調(diào)節(jié)計數(shù)電路脈沖頻率
KF!o^e x%q |1y63473 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，校準測距儀。電子開發(fā)社區(qū)門戶O1_g b]*j {
電子開發(fā)社區(qū)門戶%x"[?Jxqr
4 關(guān)于短距離的測量
zk ] m|y63473 當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，如果縮短測試脈沖時間，意味著減小了測試脈沖的輸出功率，在測試距離增加時，會使反射回來的信號很弱，造成儀器在長距離測量時受到影響。電子開發(fā)社區(qū)門戶 Y1a tJ([ ^4[,P
nmF d?z?634735 關(guān)于長距離測量電子開發(fā)社區(qū)門戶 } [+zCQ `;Q
長距離測量由于各種因素的影響會困難一些。有幾點測量時我們必須注意：電子開發(fā)社區(qū)門戶 u W!ZO@ H
1）被測目標必須垂直于超聲波測距儀。電子開發(fā)社區(qū)門戶b"n6_ g]!GzS
2）被測目標表面必須平坦。
,@$yf;Y#^634733）測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。電子開發(fā)社區(qū)門戶5j)t!Y F@v3m'w
由于發(fā)射功率有限，測距儀無法測量10m外的物體。
