00000超声波测距仪的制作.docx
超声波测距仪的制作时间:2007-04-23来源：hobby-elec.org/srm.htm作者：点击：6950字体大小：【大中小】这里介绍一款国外的不运用单片机的超声波测距仪。本超声波测距仪通过测量超声波放射到反射回来的时间差来测量与被测物体的距离。可以测量035-10m的距离。实物图如下：原理图如下:一、电路原理1超声波放射电路由两块555集成电路组成。ICl(555)组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。VccIC1555TlThC丰/77条件：RA=9.1MRB=150K.C=O.OlFT1.=0.69xRBxC=0.69x150xIO3x0.01xIO_6=1msecTH=0.69X(RA+RB)XC=0.69X9250XIO3X0.01XIO6=64msecIC2组成超声波载波信号发生器。由ICl输出的脉冲信号限制，输出ImS频率40kHz,占空比50%的脉冲，停止64ms,计算公式如下：条件：RA=1.5KRB=15K,C=100OpFT1.=0.69XRBxC=0.69X15XIO3X1000XIO42=IOusecTH=0.69X(RA+RB)XC=0.69X16.5XIO3X1000XIO12=llsecf=1(T1.+TH)=1/(10.35+11.39)x106)=46.0KHzIC3(CD4069)组成超声波放射头驱动电路。超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍(60dB),笫1级放大100倍(4OdB),第2级放大10倍(20dB)。由于般的运算放大器须要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源(9V)供电，为保证其牢靠工作，这里用RlO和Rll进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的沟通信号的质量，不至于产生信号失真。C9、DI、D2、ClO组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。IC5、IC6、IC7、IC8、IC9组成信号比较、测量、计数和显示电路，即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。它是超声波测距电路的核心，下面分析其工作原理。A由Ra、Rb、IC5组成信号比较器。其中Vrf=(RbXVcc)(Ra+Rb)=(47KX9V)(1M+47K)=0.4V所以当A点(IC5的反相端)过来的脉冲信号电压高于0.4V时，B点电压将由高电平“1"到低电平”0,同时留意到在IC5的同相端接有电容Cll和二极管D3,这是用来防止误检测而设置的。在实际测量时，在测距仪的四周会有部分发出的超声波干脆进入接收头而形成误检测。为避开这种状况发生，这里用D3干脆引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限转换电压，并且这个电压由Cll保持一段时间，这样在超声波放射器发出检测脉冲时，由于D3的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，并且由于Cll的放电保持作用，可防止这时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测。由以上可知，当测量距离小到肯定程度时，由于D3及Cll的防误检测作用，其近距离测量会受到影响。图示参数的最小测量距离在40cm左右。减小Cll的容量，在环境温度为20时可做到30Cm测量最短距离。此时其放电时间IC6组成R-S触发器构成时间测量电路。可以看出，在发出检测脉冲时(A端为高电平)，D端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，C端由高变低，此时D端变为低电平，故输出端D的高电平常间即为测试脉冲来回时间。送信受信超音波伍班畤往凰计数和显示电路由IC6、IC7、IC8、IC9组成，IC7组成计数电路脉冲发生器，原理图如下。其工作频率f=1/(2.2xCxR)。电路频率设计在17.2kHz左右。这个频率是依据声波在环境温度为20时的传播速度为343.5ms确定的。我们知道在不同的环境温度下，声波的传播速度会有所变更，其关系为v=331.5+0.6xt,其中V的单位为ms,t为环境温度，单位为七。Temperature(C)Speedofsound(msec)-10325.50331.510337.520343.530349.540355.550361.5有关计算如下：测量距离为Im的物体时，声波的来回时间为：2m343.5(ms)=5.82mso这时计数器显示应为100,即1m,此时计数电路脉冲发生器的频率f=100(5.82xl0-3)=17.18(kHz)°如电容C(即C14)为2200pF,此时电阻R=1/(2.2xC×f)=1/(2.2X2200XIO12X17.18x103)=12K由于在不同的环境温度下，声波的传播速度会不同，为适应不同环境温度下测量的须要，我们要求电阻R具有肯定的调整范围，这里用VR2,VR3进行调整，其中VR2为粗调电阻，VR3为精调电阻。同样我们可以算出在不同温度下的计数脉冲频率值，如：温度为46.5C时，f=1/(2.2XCxR)=1/(2,2X2200X10-12X11.5X103)=17.97KHz环境温度为1.5时f=1/(2.2XCXR)=1/(2.2X2200X10-12X12.5X103)=16.53KHz事实上，在不同环境温度下时，我们只要测试标准距离1m,调整计数电路脉冲发生器的频率(VR2和VR3),使其显示为100BPnJoVcc送信受信这里简洁介绍下计数器的清零及数据锁存过程。A点波形即表现测试脉冲来回的时间，当A点电位由低变高时，由于Cl电压不能突变，故B点会产生一个免位脉冲信号使计数器清零，同时IC6内与非门被打开，IC8起先通过C1.oCK脚计数；同样当A点电位由高变低时，由于C2电压不能突变，故C点会产生一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存，同时IC6的有关与非门被关闭，IC8起先停止计数，完成计数过程。ABCDa33213-SS$5一口trtr45C15用于限制显示部分的刷新频率，当C15为100oPF时，刷新频率为I100Hz,由IC9、1.ED1-1.ED3,TR1TR3组成显示电路。二、元件选择这里采纳的超声波放射头为T40-16,接收头为R40-16.参数和外形如下:ItemSpecificationsCenterfrequency(KHz)40Overpressurevalue(dB)ll5<Sensitivity(dB)-64<Majordiametersize(mm)Diameter16.2Height12.2ritointervalo.o三、印刷电路板四、调试1调整放射接收电路把ICl从插座上拔下，并短接ICl插座的1和3脚，这时IC2的4脚应为高电平，并会持续发出高频载波信号，频率约为40KHz,此时可用示波器监测IC4的1脚信号。让超声波探头朝向一面墙，使发出的超声波返回而被接受器检测到，同时用示波器检测IC4的1脚信号，渐渐调整VR1.使IC4的1脚输出信号最大。断开ICl插座的1和3脚短接线并插上IC1.此时再用示波器监视IC4的1脚信号，应能看到超声波脉冲串。送信外5?为以超音波八）以fl>2调整误检测电路通常该部分电路不须要调整，但假如发觉测量几米外的物体，电路始终显示为0.40,这表明该仪器受到自身发出的检测脉冲干扰。这时我们需检查或稍许增多CIl的容量，说明第1条线测得于IC6的第1脚，第2条线测得于IC5的3脚，第3条线测得于IC4的1脚,第4条线测得于IC6的10脚。3调整计数电路脉冲频率让电路板垂直于墙面Im处，调整VR3在中间位置，再调整VR2使显示1.00,但在环境温度变更时，一般需再次调整VR2,校准测距仪。4关于短距离的测量当我们将测距仪渐渐靠近被测物体，最终读数显示在34Cm左右。因为这个电路Cll取值为0.1uF,由于防误检测电路的爱护作用，所以最小测试距离限制为34Cm左右，如要进步缩短测试距离，由前面分析可知，我们必需让发出的测试脉冲宽度更窄，同时减小防误检测电路CIl的容量。但由于超声波放射器的输出功率有限，假如缩短测试脉冲时间，意味着减小了测试脉冲的输出功率，在测试距离增加时，会使反射回来的信号很弱，造成仪器在长距离测量时受到影响。5关于长距离测量长距离测量由于各种因素的影响会困难一些。有几点测量时我们必需留意：1）被测目标必需垂直于超声波测距仪。2）被测目标表面必需平坦。3）测量时在超声波测距仪四周没有其他可反射超声波的物体。由于放射功率有限，测距仪无法测量IOm外的物体。
