數(shù)字式超聲波測距儀的研制
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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)動七段共陰極LED數(shù)碼管。其中，引腳CPU為加法計(jì)數(shù)時鐘脈沖輸入端：Qco是加法計(jì)數(shù)進(jìn)位輸出端；引腳TE為使能端，TE=0時，計(jì)數(shù)器工作，TE=1時，計(jì)數(shù)器禁止計(jì)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(jì)數(shù)器仍正常工作。3個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(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℃。測量距離S為1 m時，超聲波往返時間T=2S／C≈5．8 ms。
這時計(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，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，使測距儀顯示為1．00。U1f、U4b、U4c組成RS觸發(fā)器。發(fā)射超聲波時，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信號輸入，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CD40110B處于十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)狀態(tài)，對脈沖發(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)。若被測物超出最大有效測量距離，或者沒有被測物時，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，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”，表示測距無效。同時，三極管VQ2瞬時飽和導(dǎo)通，E點(diǎn)電位瞬時變?yōu)榈碗娖?，F(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，三極管VQ2瞬時飽和導(dǎo)通，E點(diǎn)電位瞬時變?yōu)榈碗娖健點(diǎn)電位為高電平。圖4為超聲波工作波形。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/195598.htm
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。超聲波測距儀電路有兩個多諧振蕩器，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，填充和加大“地”線面積，避免多諧振蕩器之間，以及振蕩器對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，為減少測量誤差，使用前需校準(zhǔn)測距儀。最好選擇與被測物距離相近的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)。如預(yù)計(jì)被測物距離約2 m，則在室內(nèi)選擇離墻壁2 m的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)。每次測距時，須上電復(fù)位或按復(fù)位鍵S1，顯示“0．00”后，才可按測距開始鍵S2進(jìn)行測距。測量時，被測物要垂直于超聲波測距儀被測物表面要平坦。
4 結(jié)束語
數(shù)字式超聲波測距儀體積小，重量輕，便于攜帶，操作簡單，測距迅速。讀數(shù)直觀。實(shí)驗(yàn)表明，最大有效測量距離很難達(dá)到1O m以上，經(jīng)過與被測物距離相近的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)后，測量誤差較小，但測量量程有限。
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