數(shù)字超聲

1、數(shù)字式超聲波測距儀的研制數(shù)字式超聲波測距儀的研制時間：2009121112:32:32來源：電子設(shè)計工程作者：韋穗林1引言引言超聲波在氣體、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。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，通過測定超聲波往返所用時間就可計算出實際距離，從而實現(xiàn)無接觸測量物體距離。超聲波測距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應(yīng)用于水文液位測量、建筑施工工地的

2、測量、現(xiàn)場的位置監(jiān)控、車輛倒車障礙物的檢測、移動機器入探測定位等領(lǐng)域。本文設(shè)計的數(shù)字式超聲波測距儀通過對超聲波往返時間內(nèi)輸入到計數(shù)器特定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而顯示對應(yīng)的測量距離。2超聲波測距儀電路組成和工作原理超聲波測距儀電路組成和工作原理超聲波測距儀由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收放大電路、計數(shù)和顯示電路組成。21超聲波發(fā)生電路超聲波發(fā)生電路圖1為超聲波發(fā)生電路。雙定時器EN556(U2b)組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。R6和C6構(gòu)成微分電路，

3、其作用是：當(dāng)按鍵S2按下時，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1ms，即tw≈11R5C5≈1ms。EN556(U2n)組成多諧振蕩器，振蕩頻率f1=1／T1≈1／07[(R1R2)2(R3R4)]C3≈40kHz。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，多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩，EN556的引腳5輸出約40個頻率為40kHz、占空比約50％的矩形脈

4、沖?？紤]到多諧振蕩器起振階段不穩(wěn)定，因此設(shè)計輸m脈沖數(shù)較多。若輸出脈沖數(shù)太少，則發(fā)射強度小，測量距離短。但脈沖數(shù)過多，發(fā)射持續(xù)時間長，在距離被測物較近時，脈沖串尚未發(fā)射完，這樣導(dǎo)致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達接收端，影響測距結(jié)果，造成測距盲區(qū)增大。74HC04(U1)的U1a~U1e組成超聲波脈沖驅(qū)動電路，可提高驅(qū)動超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值，有效進行電／聲轉(zhuǎn)換，增強發(fā)射超聲波的能力，增大測量距離。40kHz脈沖串的一路經(jīng)U1a反

5、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CMOS門并23計數(shù)和顯示電路計數(shù)和顯示電路如圖3所示。CD40110B是十進制可逆計數(shù)／鎖存／譯碼／驅(qū)動器，具有加減計數(shù)、計數(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25mA，可直接驅(qū)動七段共陰

6、極LED數(shù)碼管。其中，引腳CPU為加法計數(shù)時鐘脈沖輸入端：Qco是加法計數(shù)進位輸出端；引腳TE為使能端，TE=0時，計數(shù)器工作，TE=1時，計數(shù)器禁止計數(shù)；LE為鎖存控制端；LE=1時，顯示數(shù)據(jù)保持不變，但內(nèi)部計數(shù)器仍正常工作。3個CD40110B組成3位十進制加法計數(shù)器。3位LED數(shù)碼管顯示測量距離。U7對應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為m，U6對應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為dm，U5對應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為cm。74HC00的U4a和U4d組成計數(shù)

7、電路脈沖發(fā)生器。其振蕩頻率f2≈1／[22xC12(R35W)]。當(dāng)環(huán)境溫度是25℃。測量距離S為1m時，超聲波往返時間T=2S／C≈58ms。這時計數(shù)器顯示應(yīng)為100，即1m。因此計數(shù)器在T＝58ms應(yīng)計數(shù)到N=100，這時要求計數(shù)電路脈沖發(fā)生器脈沖周期T2=T／N=58x10－2ms，即要求計數(shù)電路脈沖發(fā)生器頻率應(yīng)為f2=1T2=N／T≈172kHz。要使計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率是172kHz，當(dāng)C12為2200pF時，R35W=1

8、／(22C12f2)≈12kΩ。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)境溫度下測量的精度，用精密電位器W調(diào)節(jié)計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率，使測距儀顯示為100。U1f、U4b、U4c組成RS觸發(fā)器。發(fā)射超聲波時，C點為高電平，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輸入，E點輸出高電平，RS觸發(fā)器的U4cF點輸出為低電平，此時CD40110B處于十進

9、制加法計數(shù)狀態(tài)，對脈沖發(fā)生器的輸入脈沖計數(shù)。當(dāng)超聲波發(fā)射完畢，C點為低電平。若超聲波接收放大電路未接收到返回的超聲波，E點仍為高電平，則RS觸發(fā)器的U4cF點輸出仍保持低電平，CD40110B繼續(xù)計數(shù)。一旦超聲波接收放大電路接收到返回的超聲波，E點變?yōu)榈碗娖?，RS觸發(fā)器的U4cF點輸出變?yōu)楦唠娖?，CD40110B停止計數(shù)，并鎖存顯示計數(shù)數(shù)值；E點恢復(fù)高電平，RS觸發(fā)器的U4cF點輸出仍保持高電平，CD40110B仍停止計數(shù)、鎖存顯示計數(shù)