|
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： 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。 IC6組成R-S觸發(fā)器構成時間測量電路。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。 計數和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計數電路脈沖發(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。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發(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具有一定的調節(jié)范圍，這里用VR2,VR3進行調節(jié)，其中VR2為粗調電阻，VR3為精調電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數脈沖頻率值，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，調節(jié)計數電路脈沖發(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器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現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點會產生一個復位脈沖信號使計數器清零，同時IC6內與非門被打開，IC8開始通過CLOCK腳計數；同樣當A點電位由高變低時，由于C2電壓不能突變，故C點會產生一個鎖存脈沖信號使計數器數據被鎖存，同時IC6的有關與非門被關閉，IC8開始停止計數，完成計數過程。 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R40-16.參數和外形如下：
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。 |
