數(shù)字式超聲波測(cè)距儀的研制
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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。考慮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。
評(píng)論