超声波测距仪的制作常规器件.DOC

1、超声波测距仪的制作（常规器件）来源:www.hobby-elec.org/srm.htm 作者:未知发 布: admin 字号:大 中 小 发表文章 这里介绍一款国外的不使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发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 0.35-10m的距离。实物图如下：原理图如下：一、电路原理1 超声波发射电路由两块 555集成电路组成。IC1（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。条件: RA =9.1M、 RB=150K、 C=0.01FTL = 0.69 x RB x C = 0.6

2、9 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 msecIC2组成超声波载波信号发生器。由 IC1输出的脉冲信号控制，输出 1ms频率40kHz，占空比 50的脉冲，停止 64ms。计算公式如下：条件: RA =1.5K、 RB=15K、 C=1000pFTL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12 = 10sec TH = 0.69 x (RA + RB) x C = 0.69 x

3、 16.5 x 103 x 1000 x 10-12 = 11sec f = 1/(TL + TH) = 1/(10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz IC3（CD4069）组成超声波发射头驱动电路。2 超声波接收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），第 1级放大 100倍（40dB），第 2级放大 10倍（20dB）。 由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用 R10和 R11进行分压，这时在 IC4的同相端有 4.5V

4、的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。C9、D1、D2、C10 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。由 Ra、Rb、IC5 组成信号比较器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb) = (47K x 9V)/(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“

5、0“。同时注意到在 IC5的同相端接有电容 C11和二极管 D3，这是用来防止误检测而设置的。在实际测量时，在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。为避免这种情况发生，这里用D3直接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C11保持一段时间，这样在超声波发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 C11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，当测量距离小到一定程度时，由于 D3及 C11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

6、C11的容量，在环境温度为 20 时可做到30cm测量最短距离。此时其放电时间为 1.75ms。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的高电平时间即为测试脉冲往返时间。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/(2.2 x C x R)。电路频率设计在 17.2kHz左右。这个频率是根据声波在环境温度为 20 时的传播速度为 343.5m/s确定的。我们知道在不同的环境

7、温度下，声波的传播速度会有所改变，其关系为 v331.5+0.6t,其中 v的单位为 m/s,t为环境温度，单位为。Temperature () Speed of sound (m/sec)-10 325.50 331.510 337.520 343.530 349.540 355.550 361.5有关计算如下：测量距离为 1m的物体时，声波的往返时间为：2m/343.5(m/s)=5.82ms。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f100/(5.8210-3)=17.18(kHz)。如电容 C(即 C14)为 2200pF，此时电阻R = 1/(2.2 x C

8、 x f) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103) = 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需要，我们要求电阻 R具有一定的调节范围，这里用 VR2,VR3进行调节，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 46.5 时，f = 1/(2.2 x C x R) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103) 17.97KHz 环境温度为 1.5 时 f = 1/(2.2 x C x R) ) = 1/(2.2 x 2200 x

9、 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz 实际上，在不同环境温度下时，我们只要测试标准距离 1m，调节计数电路脉冲发生器的频率（VR2 和 VR3），使其显示为 100即可。这里简单介绍一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往返的时间，当 A点电位由低变高时，由于 C1电压不能突变，故 B点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零，同时 IC6内与非门被打开，IC8 开始通过CLOCK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开始停止计数，完成计数过程。C

10、15用于控制显示部分的刷新频率，当 C15为 1000pF时，刷新频率为1100Hz，由 IC9、LED1-LED3、TR1TR3 组成显示电路。 二、元件选择这里采用的超声波发射头为 T40-16,接收头为 R40-16.参数和外形如下：Item SpecificationsCenter frequency (KHz) 40Overpressure value (dB) 115 Sensitivity (dB) -64 Diameter 16.2Height 12.2Major diameter size(mm)rito interval 10.0三、印刷电路板四、调试1 调整发射接收电路把

11、 IC1从插座上拔下，并短接 IC1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，慢慢调节 VR1，使 IC4的 1脚输出信号最大。 断开 IC1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。2 调整误检测电路通常该部分电路不需要调整，但如果发现测量几米外的物体，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

12、 C11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 调节计数电路脉冲频率让电路板垂直于墙面 1m处，调节 VR3在中间位置，再调节 VR2使显示1.00，但在环境温度改变时，一般需再次调节 VR2，校准测距仪。4 关于短距离的测量当我们将测距仪逐渐靠近被测物体，最终读数显示在 34cm左右。因为这个电路 C11取值为 0.1uF，由于防误检测电路的保护作用，所以最小测试距离限制为 34cm左右，如要进一步缩短测试距离，由前面分析可知，我们必须让发出的测试脉冲宽度更窄，同时减小防误检测电路 C11的容量。但由于超声波发射器的输出功率有限，如果缩短测试脉冲时间，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须注意：1）被测目标必须垂直于超声波测距仪。2）被测目标表面必须平坦。3）测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体。由于发射功率有限，测距仪无法测量 10m外的物体。