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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(shí)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(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 =9.1MΩ、 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(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 =1.5KΩ、 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(qū)動(dòng)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(hào)的檢測和放大。反射回來的超聲波信號(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的檢測脈沖信號(hào)送至IC5進(jìn)行處理。
    IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號(hào)比較、測量、計(jì)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(shí)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(hào)比較器。

其中Vrf = （Rb x Vcc）/（Ra + Rb）  = （47KΩ x 9V）/（1MΩ + 47KΩ）  = 0.4V 
    所以當(dāng)A點(diǎn)（IC5的反相端）過來的脈沖信號(hào)電壓高于0.4V時(shí)，B點(diǎn)電壓將由高電平"1"到低電平"0"。同時(shí)注意到在IC5的同相端接有電容C11和二極管D3，這是用來防止誤檢測而設(shè)置的。在實(shí)際測量時(shí)，在測距儀的周圍會(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。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(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)由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當(dāng)測量距離小到一定程度時(shí)，由于D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會(huì)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(shí)可做到30cm測量zui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)間測量電路。可以看出，在發(fā)出檢測脈沖時(shí)（A端為高電平），D端輸出高電平，當(dāng)收到反射回來的檢測脈沖時(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℃ 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(guān)計(jì)算如下：
     測量距離為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f＝100/（5.82×10-3）=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）  = 12KΩ
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 10-12 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。
 
    這里簡單介紹一下計(jì)數(shù)器的清零及數(shù)據(jù)鎖存過程。A點(diǎn)波形即表現(xiàn)測試脈沖往返的時(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、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(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)出的超聲波返回而被接受器檢測到，同時(shí)用示波器檢測IC4的1腳信號(hào)，慢慢調(diào)節(jié)VR1，使IC4的1腳輸出信號(hào)zui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(shí)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(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)測距儀。

4 關(guān)于短距離的測量
     當(dāng)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?yàn)檫@個(gè)電路C11取值為0.1uF，由于防誤檢測電路的保護(hù)作用，所以zui小測試距離限制為34cm左右，如要進(jìn)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(shí)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(shí)間，意味著減小了測試脈沖的輸出功率，在測試距離增加時(shí)，會(huì)使反射回來的信號(hào)很弱，造成儀器在長距離測量時(shí)受到影響。

5 關(guān)于長距離測量
長距離測量由于各種因素的影響會(huì)困難一些。有幾點(diǎn)測量時(shí)我們必須注意：
1）被測目標(biāo)必須垂直于超聲波測距儀。
2）被測目標(biāo)表面必須平坦。
3）測量時(shí)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。