超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引言
超聲波是一種頻率在20KHz以上的機(jī)械波，在空氣中的傳播速度約為340 m／s(20°C時(shí))。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生，常用的超聲波傳感器兩大類(lèi)：一類(lèi)是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，對(duì)色彩、光照度不敏感，反射率高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于無(wú)損探傷，距離測(cè)量、距離開(kāi)關(guān)、汽車(chē)倒車(chē)防撞、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)原理框圖
本設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示，主要由超聲波發(fā)射，超聲波接收與信號(hào)轉(zhuǎn)換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S=CT／2，式中的C為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為340m／s。由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。因本系統(tǒng)測(cè)距精度要求很高，所以通過(guò)對(duì)溫度的檢測(cè)對(duì)超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，如圖2所示，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本原理。

2 超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收電路
發(fā)射部分電路如圖3所示，主要由脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路，隔離電路以及驅(qū)動(dòng)電路組成，用來(lái)為超聲波傳感器提供發(fā)送信號(hào)。脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路中通過(guò)單片機(jī)對(duì)555定的復(fù)位(RESET)端的控制，使555定時(shí)器分時(shí)工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調(diào)制信號(hào)，信號(hào)波形如圖2所示，本設(shè)計(jì)中一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)。隔離電路主要是由兩個(gè)與非門(mén)組成，對(duì)輸出級(jí)與脈沖產(chǎn)生電路之間進(jìn)行隔離。輸出級(jí)由兩個(gè)通用型集成運(yùn)放TL084CN組成，由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓，其基本原理就是一個(gè)比較電路，當(dāng)輸入信號(hào)Vi>2．5V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓VA=+12V，運(yùn)放B的輸出電壓VB=-12V，當(dāng)輸入信號(hào)Vi2．5V時(shí)，運(yùn)放A的輸出電壓VA=-12V，運(yùn)放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個(gè)極性完全相反的對(duì)稱(chēng)波形，即VB=-VA，所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達(dá)到24V，從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠(yuǎn)的距離，提高了測(cè)量量程。