數(shù)字式超聲波測(cè)距儀的研制

1 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(guò)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(guò)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(wú)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(chē)輛倒車(chē)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(guò)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(guò)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(guò)多，發(fā)射持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，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(mén)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(zhǎng)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(guò)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(kāi)路輸出端，R10是該引腳的上托電阻。當(dāng)CX20106A無(wú)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(wèn)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(wú)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?，CD40110B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(méi)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(wú)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(kāi)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(yǔ)
    數(shù)字式超聲波測(cè)距儀體積小，重量輕，便于攜帶，操作簡(jiǎn)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(guò)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。