数字式超声波测距仪的研制

2 超声波测距仪电路组成和工作原理
    超声波测距仪由超声波发生电路、超声波接收放大电路、计数和显示电路组成。
2．1 超声波发生电路
    图1为超声波发生电路。双定时器EN556(U2b)组成单稳态触发器。R6和C6构成微分电路，其作用是：当按键S2按下时，低电平变成正负尖顶脉冲，经过VD1得到负尖顶脉冲，触发单稳态触发器翻转。单稳态翻转输出的高电平持续约1 ms，即tw≈1．1R5C5≈1 ms。EN556(U2n)组成多谐振荡器，振荡频率f1=1／T1≈1／{0．7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40 kHz。该振荡器振荡受单稳态触发器输出电平控制。当单稳态触发器输出高电平时，多谐振荡器产生振荡，EN556的引脚5输出约40个频率为40 kHz、占空比约50％的矩形脉冲。考虑到多谐振荡器起振阶段不稳定，因此设计输m脉冲数较多。若输出脉冲数太少，则发射强度小，测量距离短。但脉冲数过多，发射持续时间长，在距离被测物较近时，脉冲串尚未发射完，这样导致先发射出的脉冲产生的回波将到达接收端，影响测距结果，造成测距盲区增大。74HC04(U1)的U1a~U1e组成超声波脉冲驱动电路，可提高驱动超声波发送传感器的脉冲电压幅值，有效进行电／声转换，增强发射超声波的能力，增大测量距离。40 kHz脉冲串的一路经U1a反相，再经由U1b和U1e并联的反相器反相；其另一路经南U1c和U1d并联的反相器反相。

    这样，施加在超声波发送传感器两端上的2路脉冲电压相位相反，使超声波发送传感器两端上的脉冲电压峰一峰值提升近电源电压的2倍，输出功率提高4倍。2个CMOS门并联可增大输出驱动电流。电容C1用于隔直流，避免直流电压长时间施加到超声波传感器，造成超声波传感器绝缘电阻下降，导致超声波传感器性能降低。
2．2 超声波接收放大和整形电路
    超声波接收放大和整形电路如图2所示。

    超声波接收传感器将收到的返回超声波转成微弱电信号，经CX20106A放大、整形后，输出负脉冲电压。CX20106A是红外线遥控接收器，其内部由前置放大、带通滤波、检波和波形整形等电路组成。通过外接电阻，将其内部带通滤波电路的中心频率f0设置为40 kHz，就可接收和放大超声波电信号，并整形输出负脉冲电压。该器件的引脚1是超声波电信号输入端，引脚2与地之间连接RC串联网络，这是内部前置放大电路负反馈网络的组成部分，改变电阻R8的数值则改变前置放大电路的增益。引脚3与地之间连接检波电容C9，适当改变C9就可改变超声波电信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。引脚5与电源间接一只电阻，用以设置内部带通滤波电路的中心频率f0。当R9=200 kΩ时，f0=40 kHz。引脚6与地之间接一只积分电容C10标准值为330 pF。如果该电容值取得太大，输出脉冲低电平持续时间就会增加，测量距离变短。引脚7是电路集电极开路输出端，R10是该引脚的上托电阻。当CX20106A无信号输入时，引脚7输出高电平。输入的超声波电信号经放大、整形后，引脚7输出负脉冲电压。采用CX20106A实现超声波接收放大和整形，可避免采用多级集成运放组成高增益放大电路易产生自激等问题。
    在发射超声波期间，图2中C点为高电平(tW≈1 ms)，三极管V Q1导通，超声波电信号输入端短路，从而避免接收到超声波而发送传感器发出的直射波。所以该测距仪理论上最小测量距离(肓区)约为Smin=Ctw/2≈0．17 m。其中，C是超声波在空气中的传播速度。因为超声波在空气中传播能量会不断衰减，所以超声波测距存在最大有效测量距离。该最大有效测量距离与多种因素有关：超声波传感器性能，驱动超声波传感器脉冲电压幅值(功率)，被测物形状，被测物吸波特性，反射波与入射波夹角，超声波接收放大电路灵敏度等。

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2．3 计数和显示电路
    计数和显示电路如图3所示。CD40110B是十进制可逆计数／锁存／译码／驱动器，具有加减计数、计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。每段输出电流最大为25 mA，可直接驱动七段共阴极LED数码管。其中，引脚CPU为加法计数时钟脉冲输入端：Qco是加法计数进位输出端；引脚TE为使能端，TE=0时，计数器工作，TE=1时，计数器禁止计数；LE为锁存控制端；LE=1时，显示数据保持不变，但内部计数器仍正常工作。3个CD40110B组成3位十进制加法计数器。3位LED数码管显示测量距离。U7对应的LED数码管单位为m，U6对应的LED数码管单位为dm，U5对应的LED数码管单位为cm。74HC00的U4a和U4d组成计数电路脉冲发生器。其振荡频率f2≈1／[2．2xC12×(R35+W)]。当环境温度是25℃。测量距离S为1 m时，超声波往返时间T=2S／C≈5．8 ms。
    这时计数器显示应为1．00，即1 m。因此计数器在T＝5．8 ms应计数到N=100，这时要求计数电路脉冲发生器脉冲周期T2=T／N=5．8x10－2ms，即要求计数电路脉冲发生器频率应为f2=1/T2=N／T≈17．2 kHz。要使计数电路脉冲发生器的频率是17．2 kHz，当C12为2 200 pF时，R35+W=1／(2．2C12f2)≈12 kΩ。由于不同环境温度下，超声波在空气中的传播速度也不同，所需的计数电路脉冲发生器的频率也就不一样。为提高在不同环境温度下测量的精度，用精密电位器W调节计数电路脉冲发生器的频率，使测距仪显示为1．00。U1f、U4b、U4c组成RS触发器。发射超声波时，C点为高电平，超声波接收放大电路的三极管VQI导通，超声波接收放大电路无信号输入，E点输出高电平，RS触发器的U4c F点输出为低电平，此时CD40110B处于十进制加法计数状态，对脉冲发生器的输入脉冲计数。当超声波发射完毕，C点为低电平。若超声波接收放大电路未接收到返回的超声波，E点仍为高电平，则RS触发器的U4c F点输出仍保持低电平，CD40110B继续计数。一旦超声波接收放大电路接收到返回的超声波，E点变为低电平，RS触发器的U4c F点输出变为高电平，CD40110B停止计数，并锁存显示计数数值；E点恢复高电平，RS触发器的U4cF点输出仍保持高电平，CD40110B仍停止计数、锁存显示计数数值的状态。若被测物超出最大有效测量距离，或者没有被测物时，超声波接收放大电路一直未接收到返回的超声波，E点始终为高电平，计数器计数到999后，再加1计数时，U7产生进位输出，该进位输出使三位计数器复位，显示“0．00”，表示测距无效。同时，三极管VQ2瞬时饱和导通，E点电位瞬时变为低电平，F点电位变为高电平。C11和R12构成上电复位电路，接通电源或按复位键S1瞬间，三位计数器复位，显示“0．00”。同时，三极管VQ2瞬时饱和导通，E点电位瞬时变为低电平。F点电位为高电平。图4为超声波工作波形。

3 器件选型和仪器使用
    发送传感器采用MA40S2S，接收传感器采用MA40S2R，其中心频率f0=40 kHz。超声波测距仪电路有两个多谐振荡器，为减少实际振荡频率与理论设计频率的误差，且使振荡频率稳定。振荡电路采用误差等级小的金属膜电阻和温度系数小的CB型聚苯乙烯电容。设计PCB板时，填充和加大“地”线面积，避免多谐振荡器之间，以及振荡器对超声波接收放大电路产生干扰。超声波发送传感器和接收传感器平行安装，两者间保持4～8 cm的距离。根据测量范同要求不同，可调整超声波接收放大电路检波电容C9的值，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。在不同环境温度下使用时，为减少测量误差，使用前需校准测距仪。最好选择与被测物距离相近的标准距离校准。如预计被测物距离约2 m，则在室内选择离墙壁2 m的标准距离校准。每次测距时，须上电复位或按复位键S1，显示“0．00”后，才可按测距开始键S2进行测距。测量时，被测物要垂直于超声波测距仪被测物表面要平坦。

4 结束语
    数字式超声波测距仪体积小，重量轻，便于携带，操作简单，测距迅速。读数直观。实验表明，最大有效测量距离很难达到1O m以上，经过与被测物距离相近的标准距离校准后，测量误差较小，但测量量程有限。