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超聲波測距儀工作原理

該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。 
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 =9.1MΩ、 RB=150KΩ、 C=0.01μF
TL = 0.69 x RB x C 
 = 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 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 msec

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：
 
條件: RA =1.5KΩ、 RB=15KΩ、 C=1000pF
TL = 0.69 x RB x C 
 = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12  = 10μsec  
 
TH  = 0.69 x （RA + RB） x C 
 = 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12  = 11μsec  
 
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
 
        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）  = （47KΩ x 9V）/（1MΩ + 47KΩ）  = 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"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(shù)的zui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zui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(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℃。

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(shù)器顯示應為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（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）  = 12KΩ
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(diào)節(jié)范圍，這里用VR2,VR3進行調(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 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(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)生一個復位脈沖信號使計數(shù)器清零，同時IC6內(nèi)與非門被打開，IC8開始通過CLOCK腳計數(shù)；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(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的有關與非門被關閉，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：

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zui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(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(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，zui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zui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。

5 關于長距離測量
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：
1）被測目標必須垂直于超聲波測距儀。
2）被測目標表面必須平坦。
3）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。
由于發(fā)射功率有限，測距儀無法測量10m外的物體。