超聲波測距儀的制作與電路設計分析VIP

1、超聲波測距儀的制作與電路設計分析（常規(guī)器件）發(fā)布: 2010-6-19 17:08 |  作者: wang1jin |   來源: 網(wǎng)絡 |  查看: 43次LK|J8k7m x m0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?？梢詼y量0.35-10m的距離。實物圖如下：電子愛好者社區(qū)+ZO7A,M#Na z4v9B;W :c;"/Nl6x a4Q1xZ3o0原理圖如下：電子愛好者社區(qū)UH,E 4RT&

2、J1uKt0電子愛好者社區(qū);n79?_(z 一、電路原理電子愛好者社區(qū)_U7Y e7s R0E1 超聲波發(fā)射電路電子愛好者社區(qū)"0Pc)t&#hZk!v'co     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。J #|8:_ 0 hG#r0vfCZfC0條件: RA =9.1M、 RB=150K、 C=0.01Ft!n ?4B;U!l/V5j0TL = 0.69 x RB x C 電子愛好者社區(qū)Z_S9upFF 

3、;= 0.69 x 150 x 103x 0.01 x 10-6  = 1 msec  8|"xRf:B0 電子愛好者社區(qū)V"vu4IgTH  = 0.69 x (RA + RB) x C 電子愛好者社區(qū)!AY:hFpCU = 0.69 x 9250 x 103x 0.01 x 10-6  = 64 msec$N b&O uXr0電子愛好者社區(qū)*JT4W.UQ8WIC2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

4、止64ms。計算公式如下：電子愛好者社區(qū)8O ld3eymA 電子愛好者社區(qū),O%t Bu,H2h條件: RA =1.5K、 RB=15K、 C=1000pF.V*L6lxYc0TL = 0.69 x RB x C 電子愛好者社區(qū)7_!d(;Q = 0.69 x 15 x 103x 1000 x 10-12  = 10sec  |E/zu&h% Fk-H0 'x!Np R8m8A U0TH  = 0.69 x (RA + RB) x C 電子愛好者社區(qū)!z(cT*|,c;N9j&

5、#160;= 0.69 x 16.5 x 103x 1000 x 10-12  = 11sec  電子愛好者社區(qū)h-F3Ocu Q|% J&D|3Yl0f = 1/(TL + TH) I1uXey Wc4rQO0 = 1/(10.35 + 11.39) x 10-6)  = 46.0 KHz0pV%J0Ge!gT0IC3（CD4069）組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動電路。'B rAP%P0 J1M A3yp.nSV0電子愛好者社區(qū)x/H9F B-kys%Q 2 超聲波接收電路電子愛好者社區(qū)

6、.s.L+d RB-Y5A 電子愛好者社區(qū)Z'Nf6o;X        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(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。)F.G tL:K

7、a0 電子愛好者社區(qū)ndy8e sbJhC9、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。$P46A g q0    IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號比較、測量、計數(shù)和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下面分析其工作原理。Xg(n,ZC0電子愛好者社區(qū)C C"zW7il I t.lSL    由Ra、Rb、IC5組成信號比較器。其中電子愛好者社區(qū) ZV$f2R(uVrf = (Rb x Vcc)/

8、(Ra + Rb)  = (47K x 9V)/(1M + 47K)  = 0.4V g)kK7A5_$o.G3E BE0    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(zhuǎn)換電

9、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(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。電子愛好者社區(qū)!V,&b8q(LK | W;sa by08(i?(bw wx-P8D)!0電子愛好者社區(qū)dmFhi;BZ/nUIC6組成R-S觸發(fā)器構(gòu)成時

10、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?，故輸出端D的高電平時間即為測試脈沖往返時間。8e"a"h',w0 電子愛好者社區(qū);j ?3s3C   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。電子愛好者社區(qū)%jf o$XY.k 電子愛好者社區(qū)u%r/SL4k)waY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

11、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(guān)系為v331.5+0.6×t,其中v的單位為m/s,t為環(huán)境溫度，單位為。8U wd.E,Gn-h0 Temperature ()Speed of sound (m/sec)-10325.50331.510337.520343.530349.540355.550361.5.e#sC3K u10Yu D0有關(guān)計算如下：電子愛好者社區(qū)?3GA.oGu     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1

12、00，即1m，此時計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率f100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。如電容C(即C14)為2200pF，此時電阻電子愛好者社區(qū)/O U3b ovR7G*U bR = 1/(2.2 x C x f) K!Cuh)c%w0 = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103)  = 12K 5x n l$0O0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

13、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，(z ow6j'z,e I0f = 1/(2.2 x C x R) rCE:P;s(-XoD0 = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103) 17.97KHz 電子愛好者社區(qū) I*qD,Jq環(huán)境溫度為1.5 時f = 1/(2.2 x C x R) ) )p"d/L5YJ$YQ0= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz 電子愛好者社區(qū)4Z.WqJnf 

14、0;  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。x!n*Xj#$z_ p0 .H* y+j nW/I?0    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(guān)與非門被關(guān)

15、閉，IC8開始停止計數(shù)，完成計數(shù)過程。s-on"R+B!O$lvD 0 5g:n:_y3M0  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、TR1TR3組成顯示電路。 電子愛好者社區(qū)1v_3TA JB'zW AhE(kfw4u0dNk4Xb6JA0 電子愛好者社區(qū) W+y*Ofb%Q2M.U 二、元件選擇電子愛好者社區(qū)"Aqr+Z(My;ge   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：.ff(E/'w6V|i.y

16、:i0 ItemSpecificationsCenter frequency (KHz)40Overpressure value (dB)115 <Sensitivity (dB)-64 <Major diameter size電子愛好者社區(qū)*Av(W8hE/EC(mm)Diameter16.2Height12.2rito interval10.0c$M*r(:H3 XU0 電子愛好者社區(qū)6R2WCs)X2_/Dj,E 三、印刷電路板電子愛好者社區(qū)oX4uEASr4bG   bF-V *viw0 jgF4U*D+NR0四、調(diào)試$I5i+nVji01 調(diào)

17、整發(fā)射接收電路電子愛好者社區(qū)"X+?)HAE$I    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腳輸出信號最大。 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。電子愛好者社區(qū)Q?TrgWbJ7m#b 1SBr5ZN02 調(diào)整誤檢測電

18、路H%y2j k c8qP s7h0    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。"W0SgA-DBKO0 電子愛好者社區(qū)|8bdPQ J)i3 調(diào)節(jié)計數(shù)電路脈沖頻率電子愛好者社區(qū)d KyB:Ea0J     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