超聲波在氣體,、液體及固體中以不同速度傳播,定向性好,、能量集中,、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng),。超聲波能以一定速度定向傳播,、遇障礙物后形成反射,利用這一特性,,通過測(cè)定超聲波往返所用時(shí)間就可計(jì)算出實(shí)際距離,,從而實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量物體距離。超聲波測(cè)距迅速,、方便,,且不受光線等因素影響,廣泛應(yīng)用于水文液位測(cè)量,、建筑施工工地的測(cè)量,、現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控、車輛倒車障礙物的檢測(cè),、移動(dòng)機(jī)器入探測(cè)定位等領(lǐng)域,。本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式超聲波測(cè)距儀通過對(duì)超聲波往返時(shí)間內(nèi)輸入到計(jì)數(shù)器特定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),進(jìn)而顯示對(duì)應(yīng)的測(cè)量距離,。
2 超聲波測(cè)距儀電路組成和工作原理
超聲波測(cè)距儀由超聲波發(fā)生電路,、超聲波接收放大電路、計(jì)數(shù)和顯示電路組成,。
2.1 超聲波發(fā)生電路
圖1為超聲波發(fā)生電路,。雙定時(shí)器EN556(U2b)組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。R6和C6構(gòu)成微分電路,,其作用是:當(dāng)按鍵S2按下時(shí),,低電平變成正負(fù)尖頂脈沖,經(jīng)過VD1得到負(fù)尖頂脈沖,觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),。單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出的高電平持續(xù)約1 ms,,即tw≈1.1R5C5≈1 ms。EN556(U2n)組成多諧振蕩器,,振蕩頻率f1=1/T1≈1/{0.7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40 kHz,。該振蕩器振蕩受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電平控制。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平時(shí),,多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩,,EN556的引腳5輸出約40個(gè)頻率為40 kHz、占空比約50%的矩形脈沖,??紤]到多諧振蕩器起振階段不穩(wěn)定,因此設(shè)計(jì)輸m脈沖數(shù)較多,。若輸出脈沖數(shù)太少,則發(fā)射強(qiáng)度小,,測(cè)量距離短,。但脈沖數(shù)過多,發(fā)射持續(xù)時(shí)間長,,在距離被測(cè)物較近時(shí),,脈沖串尚未發(fā)射完,這樣導(dǎo)致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達(dá)接收端,,影響測(cè)距結(jié)果,,造成測(cè)距盲區(qū)增大。74HC04(U1)的U1a~U1e組成超聲波脈沖驅(qū)動(dòng)電路,,可提高驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值,,有效進(jìn)行電/聲轉(zhuǎn)換,增強(qiáng)發(fā)射超聲波的能力,,增大測(cè)量距離,。40 kHz脈沖串的一路經(jīng)U1a反相,再經(jīng)由U1b和U1e并聯(lián)的反相器反相,;其另一路經(jīng)南U1c和U1d并聯(lián)的反相器反相,。
這樣,施加在超聲波發(fā)送傳感器兩端上的2路脈沖電壓相位相反,,使超聲波發(fā)送傳感器兩端上的脈沖電壓峰一峰值提升近電源電壓的2倍,,輸出功率提高4倍。2個(gè)CMOS門并聯(lián)可增大輸出驅(qū)動(dòng)電流,。電容C1用于隔直流,,避免直流電壓長時(shí)間施加到超聲波傳感器,造成超聲波傳感器絕緣電阻下降,導(dǎo)致超聲波傳感器性能降低,。
2.2 超聲波接收放大和整形電路
超聲波接收放大和整形電路如圖2所示,。
超聲波接收傳感器將收到的返回超聲波轉(zhuǎn)成微弱電信號(hào),經(jīng)CX20106A放大,、整形后,,輸出負(fù)脈沖電壓。CX20106A是紅外線遙控接收器,,其內(nèi)部由前置放大,、帶通濾波、檢波和波形整形等電路組成,。通過外接電阻,,將其內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0設(shè)置為40 kHz,就可接收和放大超聲波電信號(hào),,并整形輸出負(fù)脈沖電壓,。該器件的引腳1是超聲波電信號(hào)輸入端,引腳2與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò),,這是內(nèi)部前置放大電路負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的組成部分,,改變電阻R8的數(shù)值則改變前置放大電路的增益。引腳3與地之間連接檢波電容C9,,適當(dāng)改變C9就可改變超聲波電信號(hào)放大和整形電路的靈敏度和抗干擾能力,。引腳5與電源間接一只電阻,用以設(shè)置內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0,。當(dāng)R9=200 kΩ時(shí),,f0=40 kHz。引腳6與地之間接一只積分電容C10標(biāo)準(zhǔn)值為330 pF,。如果該電容值取得太大,,輸出脈沖低電平持續(xù)時(shí)間就會(huì)增加,測(cè)量距離變短,。引腳7是電路集電極開路輸出端,,R10是該引腳的上托電阻。當(dāng)CX20106A無信號(hào)輸入時(shí),,引腳7輸出高電平,。輸入的超聲波電信號(hào)經(jīng)放大、整形后,,引腳7輸出負(fù)脈沖電壓,。采用CX20106A實(shí)現(xiàn)超聲波接收放大和整形,可避免采用多級(jí)集成運(yùn)放組成高增益放大電路易產(chǎn)生自激等問題,。
在發(fā)射超聲波期間,,圖2中C點(diǎn)為高電平(tW≈1 ms),,三極管V Q1導(dǎo)通,超聲波電信號(hào)輸入端短路,,從而避免接收到超聲波而發(fā)送傳感器發(fā)出的直射波,。所以該測(cè)距儀理論上最小測(cè)量距離(肓區(qū))約為Smin=Ctw/2≈0.17 m。其中,,C是超聲波在空氣中的傳播速度,。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鞑ツ芰繒?huì)不斷衰減,所以超聲波測(cè)距存在最大有效測(cè)量距離,。該最大有效測(cè)量距離與多種因素有關(guān):超聲波傳感器性能,,驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器脈沖電壓幅值(功率),被測(cè)物形狀,,被測(cè)物吸波特性,,反射波與入射波夾角,超聲波接收放大電路靈敏度等,。
2.3 計(jì)數(shù)和顯示電路
計(jì)數(shù)和顯示電路如圖3所示,。CD40110B是十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)/鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器,具有加減計(jì)數(shù),、計(jì)數(shù)器狀態(tài)鎖存,,七段顯示譯碼輸出等功能。每段輸出電流最大為25 mA,,可直接驅(qū)動(dòng)七段共陰極LED數(shù)碼管。其中,,引腳CPU為加法計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖輸入端:Qco是加法計(jì)數(shù)進(jìn)位輸出端,;引腳TE為使能端,TE=0時(shí),,計(jì)數(shù)器工作,,TE=1時(shí),計(jì)數(shù)器禁止計(jì)數(shù),;LE為鎖存控制端,;LE=1時(shí),顯示數(shù)據(jù)保持不變,,但內(nèi)部計(jì)數(shù)器仍正常工作,。3個(gè)CD40110B組成3位十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。3位LED數(shù)碼管顯示測(cè)量距離,。U7對(duì)應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為m,,U6對(duì)應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為dm,U5對(duì)應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為cm,。74HC00的U4a和U4d組成計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器,。其振蕩頻率f2≈1/[2.2xC12×(R35+W)],。當(dāng)環(huán)境溫度是25℃。測(cè)量距離S為1 m時(shí),,超聲波往返時(shí)間T=2S/C≈5.8 ms,。
這時(shí)計(jì)數(shù)器顯示應(yīng)為1.00,即1 m,。因此計(jì)數(shù)器在T=5.8 ms應(yīng)計(jì)數(shù)到N=100,,這時(shí)要求計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器脈沖周期T2=T/N=5.8x10-2ms,即要求計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器頻率應(yīng)為f2=1/T2=N/T≈17.2 kHz,。要使計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率是17.2 kHz,,當(dāng)C12為2 200 pF時(shí),R35+W=1/(2.2C12f2)≈12 kΩ,。由于不同環(huán)境溫度下,,超聲波在空氣中的傳播速度也不同,所需的計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率也就不一樣,。為提高在不同環(huán)境溫度下測(cè)量的精度,,用精密電位器W調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率,使測(cè)距儀顯示為1.00,。U1f,、U4b、U4c組成RS觸發(fā)器,。發(fā)射超聲波時(shí),,C點(diǎn)為高電平,超聲波接收放大電路的三極管VQI導(dǎo)通,,超聲波接收放大電路無信號(hào)輸入,,E點(diǎn)輸出高電平,RS觸發(fā)器的U4c F點(diǎn)輸出為低電平,,此時(shí)CD40110B處于十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)狀態(tài),,對(duì)脈沖發(fā)生器的輸入脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)超聲波發(fā)射完畢,,C點(diǎn)為低電平,。若超聲波接收放大電路未接收到返回的超聲波,E點(diǎn)仍為高電平,,則RS觸發(fā)器的U4c F點(diǎn)輸出仍保持低電平,,CD40110B繼續(xù)計(jì)數(shù)。一旦超聲波接收放大電路接收到返回的超聲波,,E點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?,RS觸發(fā)器的U4c F點(diǎn)輸出變?yōu)楦唠娖剑珻D40110B停止計(jì)數(shù),,并鎖存顯示計(jì)數(shù)數(shù)值,;E點(diǎn)恢復(fù)高電平,,RS觸發(fā)器的U4cF點(diǎn)輸出仍保持高電平,CD40110B仍停止計(jì)數(shù),、鎖存顯示計(jì)數(shù)數(shù)值的狀態(tài),。若被測(cè)物超出最大有效測(cè)量距離,或者沒有被測(cè)物時(shí),,超聲波接收放大電路一直未接收到返回的超聲波,,E點(diǎn)始終為高電平,計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到999后,,再加1計(jì)數(shù)時(shí),,U7產(chǎn)生進(jìn)位輸出,該進(jìn)位輸出使三位計(jì)數(shù)器復(fù)位,,顯示“0.00”,,表示測(cè)距無效。同時(shí),,三極管VQ2瞬時(shí)飽和導(dǎo)通,,E點(diǎn)電位瞬時(shí)變?yōu)榈碗娖剑現(xiàn)點(diǎn)電位變?yōu)楦唠娖?。C11和R12構(gòu)成上電復(fù)位電路,,接通電源或按復(fù)位鍵S1瞬間,三位計(jì)數(shù)器復(fù)位,,顯示“0.00”,。同時(shí),三極管VQ2瞬時(shí)飽和導(dǎo)通,,E點(diǎn)電位瞬時(shí)變?yōu)榈碗娖?。F點(diǎn)電位為高電平。圖4為超聲波工作波形,。
3 器件選型和儀器使用
發(fā)送傳感器采用MA40S2S,接收傳感器采用MA40S2R,,其中心頻率f0=40 kHz,。超聲波測(cè)距儀電路有兩個(gè)多諧振蕩器,為減少實(shí)際振蕩頻率與理論設(shè)計(jì)頻率的誤差,,且使振蕩頻率穩(wěn)定,。振蕩電路采用誤差等級(jí)小的金屬膜電阻和溫度系數(shù)小的CB型聚苯乙烯電容。設(shè)計(jì)PCB板時(shí),,填充和加大“地”線面積,,避免多諧振蕩器之間,以及振蕩器對(duì)超聲波接收放大電路產(chǎn)生干擾,。超聲波發(fā)送傳感器和接收傳感器平行安裝,,兩者間保持4~8 cm的距離,。根據(jù)測(cè)量范同要求不同,可調(diào)整超聲波接收放大電路檢波電容C9的值,,以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力,。在不同環(huán)境溫度下使用時(shí),為減少測(cè)量誤差,,使用前需校準(zhǔn)測(cè)距儀,。最好選擇與被測(cè)物距離相近的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)。如預(yù)計(jì)被測(cè)物距離約2 m,,則在室內(nèi)選擇離墻壁2 m的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn),。每次測(cè)距時(shí),須上電復(fù)位或按復(fù)位鍵S1,,顯示“0.00”后,,才可按測(cè)距開始鍵S2進(jìn)行測(cè)距。測(cè)量時(shí),,被測(cè)物要垂直于超聲波測(cè)距儀被測(cè)物表面要平坦,。
4 結(jié)束語
數(shù)字式超聲波測(cè)距儀體積小,重量輕,,便于攜帶,,操作簡單,測(cè)距迅速,。讀數(shù)直觀,。實(shí)驗(yàn)表明,最大有效測(cè)量距離很難達(dá)到1O m以上,,經(jīng)過與被測(cè)物距離相近的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)后,,測(cè)量誤差較小,但測(cè)量量程有限,。