數字式超聲波測距儀的研制

2 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)組成單穩態(tài)觸發(fā)器。R6和C6構成微分電路，其作用是：當按鍵S2按下時(shí)，低電平變成正負尖頂脈沖，經(jīng)過(guò)VD1得到負尖頂脈沖，觸發(fā)單穩態(tài)觸發(fā)器翻轉。單穩態(tài)翻轉輸出的高電平持續約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態(tài)觸發(fā)器輸出電平控制。當單穩態(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定，因此設計輸m脈沖數較多。若輸出脈沖數太少，則發(fā)射強度小，測量距離短。但脈沖數過(guò)多，發(fā)射持續時(shí)間長(cháng)，在距離被測物較近時(shí)，脈沖串尚未發(fā)射完，這樣導致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達接收端，影響測距結果，造成測距盲區增大。74HC04(U1)的U1a~U1e組成超聲波脈沖驅動(dòng)電路，可提高驅動(dòng)超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值，有效進(jìn)行電／聲轉換，增強發(fā)射超聲波的能力，增大測量距離。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)可增大輸出驅動(dòng)電流。電容C1用于隔直流，避免直流電壓長(cháng)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成微弱電信號，經(jīng)CX20106A放大、整形后，輸出負脈沖電壓。CX20106A是紅外線(xiàn)遙控接收器，其內部由前置放大、帶通濾波、檢波和波形整形等電路組成。通過(guò)外接電阻，將其內部帶通濾波電路的中心頻率f0設置為40 kHz，就可接收和放大超聲波電信號，并整形輸出負脈沖電壓。該器件的引腳1是超聲波電信號輸入端，引腳2與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，這是內部前置放大電路負反饋網(wǎng)絡(luò )的組成部分，改變電阻R8的數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，適當改變C9就可改變超聲波電信號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，用以設置內部帶通濾波電路的中心頻率f0。當R9=200 kΩ時(shí)，f0=40 kHz。引腳6與地之間接一只積分電容C10標準值為330 pF。如果該電容值取得太大，輸出脈沖低電平持續時(shí)間就會(huì )增加，測量距離變短。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CX20106A無(wú)信號輸入時(shí)，引腳7輸出高電平。輸入的超聲波電信號經(jīng)放大、整形后，引腳7輸出負脈沖電壓。采用CX20106A實(shí)現超聲波接收放大和整形，可避免采用多級集成運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導通，超聲波電信號輸入端短路，從而避免接收到超聲波而發(fā)送傳感器發(fā)出的直射波。所以該測距儀理論上最小測量距離(肓區)約為Smin=Ctw/2≈0．17 m。其中，C是超聲波在空氣中的傳播速度。因為超聲波在空氣中傳播能量會(huì )不斷衰減，所以超聲波測距存在最大有效測量距離。該最大有效測量距離與多種因素有關(guān)：超聲波傳感器性能，驅動(dòng)超聲波傳感器脈沖電壓幅值(功率)，被測物形狀，被測物吸波特性，反射波與入射波夾角，超聲波接收放大電路靈敏度等。