模块八 超声波传感器及其应用ppt课件.pptx

模块八 超声波传感器及其应用传感器技术及应用刘映群 曾海峰 主编 ISBN:978-7-113-21869-0中国铁道出版社2016-10模模块八块八 超声波传感器及其应用超声波传感器及其应用本模块主要学习超声波传感器的基本原理及其应用。 超声波概念、分类； 超声波传感器的结构、工作原理及特点； 超声波常见发射电路及接收电路的工作原理； 超声波驱虫器电路的工作原理； 超声波倒车防撞报警器电路的工作原理； 超声波测距仪电路的工作原理。知识点： 超声波传感器的选用、调试； 超声波驱虫器的安装、调试； 超声波倒车防撞报警器的安装、调试； 超声波测距仪的安装、调试。技能点： 本模块主要采用实训为主，讲授为辅的教学方式完成课程任务。教师主要是将项目的基本知识及关键步骤跟学生讲明即可，学生大部分时间自主学习，并进行实训。在实训过程中，教师进行辅导及在项目完成后进行总结。教学法：项目说明项目说明采用555时基集成电路设计制作一个简易超声波驱虫器，它在工作时能产生40kHz的超声波，用于驱赶周围活动的蚊子、苍蝇、蟑螂和老鼠等动物。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计一、概述我们周围充满各种各样的声音：交谈声、音乐声、车辆运行声、自然界风雨声等等。从物理学角度讲，声音是由物体振动产生的一种波，并通过媒质（一般是空气）传播而作用于我们的耳鼓，使我们能够感知。声音的传播需要媒质，在真空中声波不能传播。声音的高低叫做音调，它是由声源振动的频率决定的，由于物体的振动有快有慢，所以发出的声音也就有高有低，一般来说，正常人能够听到频率为20Hz20kHz的声波。声音作为一种波，它具有波的所有特性，包括反射、干涉、衍射等。我们应该会判断一些常见声现象的实质，如空谷回声、夏日雷声轰鸣不绝等属于声波的反射；“隔墙有耳”或“闻其声不见其人”属于声波的衍射等。1声波的分类声波是机械波的一种，在弹性介质（固体、液体、气体）中，频率在20Hz20kHz的机械振动称为声振动。由声振动激起的波动称为声波。频率低于20Hz的机械波称为次声波，不引起听觉，频率高于20kHz的机械波称为超声波，也不引起听觉。次声波、声波和超声波除频率不同外，其他性质完全相同。用于检测的超声波频率范围通常为11041107Hz。声波的分类如图8-1所示。 项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计1）次声波次声波是频率低于20赫兹的声波，人耳听不到，但可与人体器官发生共振，78Hz的次声波会引起人的恐怖感，动作不协调，甚至导致心脏停止跳动。次声波不容易衰减，不易被水和空气吸收。次声波的波长往往也很长，因此能绕开某些大型障碍物发生衍射。某些次声波能绕地球2至3周。鲸鱼、海豚之类的海生动物可以感受到，大洋彼岸的风暴、地震和海啸引起的次声波，数千公里外鲸鱼能感知到，并作出反应。在自然界，次声波的自然发生源有狂风暴雨、雷鸣电闪、台风寒潮、龙卷冰雹、晴空湍流、地震海啸、陨石落地、极光放电、太阳磁爆及日全食等，频率一般都在0.1Hz以下。人为发生源包括飞机飞行、车辆高速行驶、机器飞速运转、打桩机喷气打桩、火箭发射、核爆炸等，它们所产生的频率一般在115Hz。2）可闻声波正常人耳朵可以听到声音频率范围在20Hz20kHz之间，如果是美妙的音乐可使人陶醉。3）超声波超声波是频率高于20kHz声波，通常可用机械法或电磁法来产生，例如利用石英晶体的弹性振动可产生109Hz甚至更高频率的超声波。由于频率高、波长短，故超声波具有许多一般声波所没有的特性。超声波人耳感受不到，但很多动物都有完善的发射和接收超声波的器官，如蚊子、蝙蝠、猫、狗和家畜就能听到超声波。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计二、超声波物理性质频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性就愈好。1超声波的波型分类由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同，声波的波形也会不同。通常有以下三种：1）纵波：质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。它能在固体、液体和气体中传播。2）横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，称为横波。它只能在固体中传播。3）表面波：质点的振动方向介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波，称为表面波。它只能在固体表面传播。2超声波的波速与波长气体的声速约为344m/s，液体的声速为9001900m/s。在固体介质中，纵波、横波和表面波都可以传播，但三者传播速度不同，通常可认为横波声速为纵波的50%,表面波声速为横波声速的90%。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计三、认识超声波传感器以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器转换元件，也可以称为超声波探头或换能器。它可以分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）和双探头（一个探头发射、一个探头接收）。图8-2所示是各种超声波传感器的转换元件。 项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计超声波由换能器（交变电能和机械能相互转换）来产生，换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式几种。我们在这里以压电式换能器为例说明其工作原理。压电器换能器是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发声器内部结构有并联的两个压电晶片和一个共振板，当压电晶片的两个极外加频率等于压电晶片固有的振荡频率的脉冲信号时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计四、超声波传感器的基本电路1超声波传感器的发射电路1）使用分立元件构成的超声波发射电路图8-3所示电路为用两个低频小功率三极管2SC9013组成的发射电路。三极管VT1和VT2构成了两级放大器，由于超声波发射器ST的正反馈作用，所以使得这个原本是放大器的电路变成了振荡器。同时，超声波发射器可以等效为一个串联LC谐振电路，具有选频作用。该电路不需要调整，超声波发射器在电路中同时担任将电能转换为机械能、选频、正反馈三个任务。图8-3（b）中用电感取代了图（a）中的R3，可以增大激励电压。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计图8-4所示为另一种分立元器件构成的超声波发射电路，T-40-16可发射出一串40kHz的超声波信号。此电路工作电压9V，工作电流25mA，控制距离可达8m。 项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计2）555构成的超声波发射电路555构成的超声波发射电路如图8-5所示。从555的3脚输出40kHz的振荡脉冲驱动T-40-16工作，使之发射出40kHz的超声波信号。电路工作电压为9V，工作电流为4045mA，控制距离大于8m。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计图8-6所示为另一种由555时基电路组成的振荡发射电路，调整RP1可调电阻器的值，可以使发射电路的振荡频率保持在40kHz上。超声波传感器连接在IC1的3脚与地之间。当按下电源按钮开关SA1以后，发射电路就会启振工作，并向外发射超声波。 项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计3）使用与非门构成超声波发射电路使用与非门构成超声波发射电路如图8-7所示，其中G3为驱动器。该电路的振荡频率f0近似等于1/(2.2RC)，调制信号由G2输入。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计4）使用LM1812组成的超声波发射电路使用LM1812组成的超声波发射电路如图8-8所示。LM1812为一种专用于超声波收/发的集成电路，它既可以用做发射电路，也可以用做接收放大电路，这主要决定于其8脚的接法。其1脚接L1、C1并联谐振回路以确定振荡器的频率。输出变压器接在6、13脚间，电容C2起退耦、滤波、信号旁路作用。C3应与变压器的次级绕组谐振于发射载频。变压器的变比大致为N1：N2=1：2.当然，超声波发射电路也可直接接在6、13脚间，但其发射功率小。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计2.超声波传感器的接收电路1）使用三极管构成的超声波接收电路由三极管构成的超声波接收电路如图8-9所示。图中的VT1、VT2和若干电阻、电容组成两级阻容耦合交流放大电路。信号最后从C3输出。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计2）CMOS非门构成的超声波接收电路如图8-10所示电路中使用了CMOS非门作为放大器，它具有输入阻抗高、功耗低、成本低、电路简单等优点。Cf为防止高频自激而设，其容量约为1000pF,其具体数字可在调试时设定。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计3）使用运算放大器的超声波接收电路超声波传感器接收的信号最大约为1V,最小约为1mV。为了将该电压放大到后续电路易于处理的电压，增益至少也应当达到100倍以上。图8-11所示为使用运算放大器的放大电路。由于超声波传感器谐振频率高达40kHz，因此运算放大器必须是高速型的。而系统对于精度和失真度的要求却比较宽容，所以只需要通用型的TL080系列和LF356、LF357、MC34080系列即可。如果增益不足，可以不由U1A直接输出，而是再增加一级放大器，而且这时每一级放大器的增益也可以降低到100以下。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计4）使用视频放大器的超声波接收电路图8-12所示为使用视频放大器LM733的接收电路。LM733的增益可以设定为10倍、100倍或400倍；考虑到增益越大其输入阻抗越小，在增益为100倍时使用它。因为其输入和输出都采用差动放大方式，所以有必要将差动电压输出转换成单端输出，这样就需要图8-12中那样使用输出变压器。这里也可以使用ST12进行电压放大。输入端的二极管和输出端的雪崩二极管都是起保护作用的。图中还给出了在不使用变压器（可以使用运算放大器替代变压器）的方法。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计5）使用比较器的超声波接收电路图8-13所示为使用比较器集成电路LM393的接收电路。比较器和运算放大器一样不进行相位补偿，因此也可以象运算放大器那样高速运行。但是，如果将它作为放大器使用，就容易产生自激振荡.因此这里仅把它作为比较器使用。为此，其输出就只取+5V或-5V两个值。由于其本身属于数字输出，因此使用起来反倒很容易。另外，为了避免噪声，可以通过正反馈的方式给它一个很小的（约lmV）滞后电压。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计6）由LM1812组成的超声波接收电路由LM1812组成的超声波接收电路如图8-14所示。8脚接地，使芯片工作于接收模式。输出信号可以从第16脚或14脚输出。注意第14脚的输出是集电极开路形式，其结构形式与发射电路的功率的输出级相同。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计五、超声波驱虫器工作原理应用超声波驱鼠虫类由来已久，经实验证明，超声波可以攻击大部分害虫的听觉及神经系统，引起它们极度的疼痛感和极度不舒适感，从而迫使它们迁离超声波驱虫器的发声范围以达到驱虫的效果。根据动物学家长期研究有关蚊子生活习惯的资料显示，只有母蚊子才会吸人畜血液，因为母蚊子在交配后一星期内需要补充营养才能顺利排卵生产，而在此期间母蚊子不能再与公蚊子交配，否则会影响生产，甚至有性命之忧，简单来说就是母蚊子怀孕后才会叮人吸血，此时最怕的就是公蚊子的追逐交配。如果同时包含着各种公蚊子在飞翔追逐母蚊子时所发出的频率，母蚊子在怀孕期间一听到超声波驱虫器所发出的公蚊子频率时，就会逃离超声波驱虫器的发声范围。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计六、简易超声波驱虫器电路的工作原理超声波驱虫器电路跟超声波发射机的电路相差不多，工作原理也一样。该电子驱虫器由电源电路和多谐振荡器组成，如图8-15所示。 电源电路由电源变压器T1，整流二极管D1D4和滤波电容器C1组成。多谐振荡器由时基集成电路IC1和电阻器R1，R2，电容器C2，C3组成部分成。C4为耦合电容器；BL1为扬声器。接通电源后，交流220V电压经T1降压，D1D4整流和C1滤波后，产生12V（Vcc）直流电压供给IC1。多谐振荡器通电振荡工作后，从IC1的3脚输出频率为40kHz的矩形波，该矩形波通过BL1转换成超声波并向外辐射出去，即可驱赶附近的害虫。调整R1、R2的阻值或C2的容量，可以改变多谐振荡器的工作频率。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计项目实施一、简易超声波驱虫器电路的绘制使用Protel99se绘制完成图8-15所示的原理图。二、元器件选择BL1选用0.25W、8的电动式扬声器。C1选用耐压值为25V的铝电解电容器，C2选用高频瓷介电容器，C3和C4均选用独石电容器。DlD4均选用1N4007型硅整流二极管。IC1选用NE555型时基集成电路。R1和R2均选用1/4W碳膜电阻器。T1选用3W、二次电压为l2V的电源变压器。项目一的元器件清单表如表8-1所示。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量BL1扬声器电动式扬声器，功率0.25W81C1电容器电解电容器，耐压值25V470uF1C2电容器高频瓷介电容器1000P1C3电容器独石电容器0.01uF1C4电容器独石电容器0.1uF1D1D4二极管1N4007硅整流二极管 4IC1集成电路NE555/DIP8 1R1R2电阻器碳膜电阻器，功率1/4W10K2T1电源变压器3W，二次电压为l2V 1项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计表表8-1 项目一元器件清单表项目一元器件清单表三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的超声波驱虫器的印刷电路板图为单面板，如图8-16所示。图8-16（a）为元件面，图8-16（b）为焊接面。 项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计四、电路调试此电路相对简单，只要安装无误，就能正常工作，调试时可以在NE555的3脚接示波器，看是否产生40kHz的矩形波，通过调整R1、R2的阻值或C2的容量，可以改变多谐振荡器的工作频率。直到频率符合要求。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1.利用NE555和CD4017构成时钟振荡器、计数器和多谐振荡器，由扬声器和三极管构成发生设备，产生频率范围为2364kHz的超声波（分为10个频段）驱虫器。项目一项目一 简易超声波驱虫器电路的设计简易超声波驱虫器电路的设计项目说项目说明明设计制作一个使用LM1812构成的简易超声波倒车防撞报警器电路，它在工作时能产生40kHz的超声波，用于汽车在倒车时检测车尾3m左右是否有障碍物并进行声光提醒。项目二项目二 简易超声波倒车防撞报警器电路的设计简易超声波倒车防撞报警器电路的设计一、LM1812集成电路的功能LM1812是一种性能优良，且既能发送又能接收超声波的通用型超声波集成器件。芯片内部包括：脉冲调制C类振荡器、高增益接收器、脉冲调制检测器及噪音抑制器。它除了可用于遥控器、报警器、自动门控制及通信方面外，还可用于工业上的料位或液位的测量与控制、测距及测厚等方面，应用非常广泛。1LM1812内部电路框架图LM1812内部电路框架图如图8-17所示。 项目二项目二 简易超声波倒车防撞报警器电路的设计简易超声波倒车防撞报警器电路的设计2LM1812外部引脚特性LM1812超声波专用器件外形为18脚双列直插塑料封装形式，外部引脚图如图8-18所示。相应引脚功能为：1脚第二增益级输出振荡器端，6脚发射器输出端，7脚发射驱动器13脚外接电源退耦电容端，14脚检出器输出端，16脚输出驱动器端，17脚噪声控制端，18脚积分器复位时间常数控制端。LM1812各引脚功能详细介绍如下：1脚，当作为接收器时，该脚是内部二级放大电路的输出端，也是收、发LC选频回路点。2脚，当作为接收器时，该脚是内部二级放大电路的输入端。3脚，当作为接收器时，该脚是内部一级放大电路的输出端。4脚，当作为接收器时，该脚是内部一级放大电路的输入端。5脚，接地端。6脚，载频功率输出端，集电极开路，吸收脉冲峰值电流205mH1L2电感器中心抽头5mH1R1R2电阻器碳膜电阻器，功率1/4W4.7K 2R3电阻器碳膜电阻器，功率1/4W22K1R4电阻器碳膜电阻器，功率1/4W5.1K1R5电阻器碳膜电阻器，功率1/4W201R6电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1601R7电阻器碳膜电阻器，功率1/4W5101R8R9电阻器碳膜电阻器，功率1/4W10K2R10R11电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1M2R12电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1K1R13电阻器碳膜电阻器，功率1/4W100K1RP1电位器RM.065/蓝白可调电阻25K1RP2电位器RM.065/蓝白可调电阻5.1K1Rx1超声波接收器MA40EIR 1Tx1超声波发射器MA40EIS 1VT1三极管PNP/2SB504 1VT2三极管NPN/9013 1三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制的超声波倒车防撞报警器的印刷电路板图为双面板，如图8-21所示。图8-21（a）为元件面，图8-21（b）为焊接面。项目二项目二 简易超声波倒车防撞报警器电路的设计简易超声波倒车防撞报警器电路的设计四、电路调试此电路相对简单，只要安装无误，就能正常工作。1超声波发射频率的调整调试时可以在IC3（NE555）的3脚接示波器，看是否产生40kHz的矩形波，通过调整R11、R2的阻值或C16的容量，可以改变多谐振荡器的工作频率。直到频率符合要求。2.报警灵敏度的调整调节RP2进行报警灵敏度的调整。3.单稳态及声光报警电路的调整可通过调整R10、C15的参数使IC2（NE555)时的3脚产生出合适的频率能声光报警。项目二项目二 简易超声波倒车防撞报警器电路的设计简易超声波倒车防撞报警器电路的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1.自行查阅资料，采用SB0012超声波专用测距集成电路实现超声波倒车防撞报警器电路。项目二项目二 简易超声波倒车防撞报警器电路的设计简易超声波倒车防撞报警器电路的设计项目说明项目说明设计制作一个不使用单片机的超声波测距仪。通过测量超声波从发射到反射回来的时间差来测量与被测物体的距离。要求可以测量0.3510m的距离范围。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计一、超声波检测距离的原理超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法精度高，但检测范围有限，声波幅值检测法易受反射波的影响。在超声波检测技术中，主要利用超声波反射、折射、衰减等一些物理性质来实现检验的目的。渡越时间检测法应用最广泛，它的基本工作原理是：超声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声介质传到被测物体，形成反射波；反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由系统计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度，利用公式S=CT/2项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计就可以确定超声波传感器到被测物体之间的距离了。根据所用传感器的工作方式，测距又可分为自发自收当传感器和一发一收双传感器。一般来说，单探头的自发自收方式是优先考虑采用的。这是因为单探头方式检测系统简单，安装维护也方便。但是这里采用的是压电陶瓷传感器，由于压电陶瓷传感器的余震比较严重，单发单收的探头检测死区比较大。为避免这点，本系统采用双探头的设计，即采用两个超声波传感器：一个用来接收，一个用来发射。采用的传播介质为空气，超声波测距原理如图8-21所示：项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计测渡越时间测量法：1)直接计数法发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时刻计时器开始计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻，停止计时。计时器所计时间，即为传播渡越时间。2)相位法测距仪发出一定频率变化的正弦波，发出的声波到达被测物产生反射回波，接收端接收到回波，经放大电路转换后，得到与放大的相位完全相同的信号，此信号放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据所测相位差就可算得所测距离。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计二、影响超声波测距精度的一些因素影响超声波波测试精度的一些因素主要包括以下几点：1）声速误差；2）测距时间的误差；3）其他误差，主要包括探头固定误差、噪声干扰带来的误差等。要提高测距精度，必须减小时间和声速测量的误差，并且对噪声干扰进行合理的分析和处理。由于声速对测距影响较大，所以必须补偿超声波在空气中的传播速度，对声速的补偿，现在大多采用温度补偿的方法，在系统设计中加入温度检测部分对环境温度进行检测，以提高超声波的测距精度。但是通过温度测量补偿声速的方法也存在着问题，由于引入了环境温度这个参数，必然会存在环境温度测量的误差，如果没有合适的处理温度测量的误差，将会导致温度补偿声速的误差加大，达不到预期的目的。测距时间的误差是无可避免的，因为不管你采用何种方法，计时都存在着误差。这是由硬件本身决定的，但是如何选择合适的渡越时间测量法来减少渡越时间测量的误差，就是提高超声波测距精度的关键所在。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计三、超声波测距仪电路的工作原理1超声波发射电路超声波发射电路由两块555集成电路和一块CD4069集成电路组成。IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，如图8-24所示。工作周期计算公式如下。TL = 0.69 Rb C= 0.69 150 103 0.01 10-6 = 1（ms）TH = 0.69 (Ra + Rb) C= 0.69 9250 103 0.01 10-6 = 64（ms）其中Ra =9.1M、 Rb=150K、 C=0.01F，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50的脉冲，停止64ms，如图8-25所示。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计计算公式如下。TL = 0.69 Ra C= 0.69 15 103 1000 10-12 = 10（s）TH = 0.69 (Ra + Rb) C= 0.69 16.5 103 1000 10-12 = 11（s）f = 1/(TL + TH)= 1/(10.35 + 11.39) 10-6) = 46.0（KHz）其中Ra =1.5K、 Rb=15K、 C=1000pF，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。IC3（CD4069）组成超声波发射头的驱动电路，对外输出超声波信号。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计2）超声波接收电路超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（+9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。C9、D1、D2、C10组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。IC5、IC6、IC7、IC8、IC9组成信号比较、测量、计数和显示电路，即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。它是超声波测距电路的核心，下面分析其工作原理。由Ra、Rb、IC5组成信号比较器，如图8-24所示。 项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计其中Vrf = (Rb Vcc)/(Ra + Rb) = (47K 9V)/(1M + 47K) = 0.4V。所以当A点（IC5的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，B点电压将由高电平“1”到低电平“0”。同时注意到在IC5的同相端接有电容C11和二极管D3，这是用来防止误检测而设置的。在实际测量时，在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。为避免这种情况发生，这里用D3直接引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限转换电压，并且这个电压由C11保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于D3的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，并且由于C11的放电保持作用，可防止这时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测。由以上可知，当测量距离小到一定程度时，由于D3及C11的防误检测作用，其近距离测量会受到影响。图示参数的最小测量距离在40cm左右。减小C11的容量，在环境温度为20时可做到30cm测量最短距离。此时其放电时间为1.75ms。IC6组成R-S触发器构成时间测量电路如图8-25所示。可以看出，在发出检测脉冲时（A端为高电平），D端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，C端由高变低，此时D端变为低电平，故输出端D的高电平时间即为测试脉冲往返时间。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计计数和显示电路由IC6、IC7、IC8、IC9组成，IC7组成计数电路脉冲发生器，原理图如图8-26所示。 项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计其工作频率f = 1/(2.2 C R)。电路频率设计在17.2kHz左右。这个频率是根据声波在环境温度为20时的传播速度为343.5m/s确定的。我们知道在不同的环境温度下，声波的传播速度会有所改变，其关系为v331.5+0.6t，其中v的单位为m/s，t为环境温度，单位为。超声波温度与速度的对应关系如表8-6所示。表8-6 超声波温度与速度的对应关系温度（）声音速度（m/s）-10325.50331.510337.520343.530349.540355.550361.5项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计有关计算如下：测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：2m/343.5(m/s)=5.82ms。这时计数器显示应为100，即1m，此时计数电路脉冲发生器的频率f100/(5.8210-3)=17.18(kHz)。如电容C(即C14)为2200pF，此时电阻R = 1/(2.2 C f)= 1/(2.2 2200 10-12 17.18 103) = 12K。由于在不同的环境温度下，声波的传播速度会不同，为适应不同环境温度下测量的需要，我们要求电阻R具有一定的调节范围，这里用VR2、VR3进行调节，其中VR2为粗调电阻，VR3为精调电阻。同样我们可以算出在不同温度下的计数脉冲频率值，如：环境温度为46.5时，f = 1/(2.2 C R)= 1/(2.2 2200 10-12 11.5 103) 17.97KHz；环境温度为1.5时f = 1/(2.2 C R) )= 1/(2.2 2200 10-12 12.5 103) = 16.53KHz。实际上，在不同环境温度下时，我们只要测试标准距离1m，调节计数电路脉冲发生器的频率（VR2和VR3），使其显示为100即可。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计3）计数、显示电路这里简单介绍一下计数器的清零及数据锁存过程，如图8-27所示。A点波形即表现测试脉冲往返的时间，当A点电位由低变高时，由于C1电压不能突变，故B点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零，同时IC6内与非门被打开，IC8开始通过CLOCK脚计数；同样当A点电位由高变低时，由于C2电压不能突变，故C点会产生一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存，同时IC6的有关与非门被关闭，IC8开始停止计数，完成计数过程。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计C15用于控制显示部分的刷新频率，当C15为1000pF时，刷新频率为1100Hz，由IC9、LED1-LED3、VT1VT3组成显示电路。超声波测距仪的原理图如图8-28所示。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计项目实施一、超声波测距仪电路的绘制使用Protel99se绘制完成图8-30所示的原理图。二、元器件选择C1C16均选用高频瓷介电容器，C17C18均选用耐压值为25V的铝电解电容器。IC1IC2均选用NE555型时基集成电路，IC3、IC7均选用CD4069集成电路，IC4选用NJM4580D集成电路，IC5选用LM358N集成电路，IC6选用CD4011集成电路，IC8选用CD4553集成电路，IC9选用CD4511集成电路，IC10选用78L09三端稳压集成电路。R1R25均选用1/4W碳膜电阻器。VR1VR3均选用RM.065的蓝白可调电阻。Rx1选用R40-16超声波接收器，Tx1选用T40-16超声波发射器。VT1VT3选用型号为2SA1015的PNP型三极管。项目三元器件清单表如表8-7所示。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计元件序号元件名称元件型号与规格元件参数数量C1、C12C13电容器高频瓷介电容器0.01uF3C2、C4、C5、C8、C11、C16、C19C21电容器高频瓷介电容器0.1uF9C3、C6C7、C9C10、C15电容器高频瓷介电容器1000pF6C14电容器高频瓷介电容器2200pF1C17C18电容器电解电容器，耐压值25V 100uF2IC1IC2集成电路NE555/DIP8 2IC3、IC7集成电路CD4069/DIP14 2IC4集成电路NJM4580D/DIP8 1IC5集成电路LM358N/DIP8 1IC6集成电路CD4011/DIP14 1IC8集成电路CD4553/DIP16 1项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计表表8-7 项目三元器件清单表项目三元器件清单表IC9集成电路CD4511/DIP16 1IC10集成电路78L09/三端稳压器 1R1电阻器碳膜电阻器，功率1/4W9.1M1R2电阻器碳膜电阻器，功率1/4W150K1R3电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1.5K1R4电阻器碳膜电阻器，功率1/4W8.2K1R5R6、R8、R10R11、R14R16电阻器碳膜电阻器，功率1/4W10K8R7、R12电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1M2R9、R17电阻器碳膜电阻器，功率1/4W100K2R13电阻器碳膜电阻器，功率1/4W47K1R18R25电阻器碳膜电阻器，功率1/4W1K8VR1电位器RM.065/蓝白可调电阻10K1VR2电位器RM.065/蓝白可调电阻20K1VR3电位器RM.065/蓝白可调电阻1K1Rx1超声波接收器 R40-16 1Tx1超声波发射器 T40-16 1VT1VT3三极管三、印刷电路板设计使用Protel99se绘制超声波测距仪的印刷电路板图为双面板，如图8-31所示。图8-31（a）为元件面，图8-31（b）为焊接面。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计四、实物制作焊接完成后的超声波测距仪的实物图如图8-32所示。 项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计五、电路调试1发射接收电路的调整把IC1从插座上拔下，并短接IC1插座的1和3脚，这时IC2的4脚应为高电平，并会持续发出高频载波信号，频率约为40KHz，此时可用示波器监测IC4的1脚信号。让超声波探头朝向一面墙，使发出的超声波返回而被接受器检测到，同时用示波器检测IC4的1脚信号，慢慢调节VR1，使IC4的1脚输出信号最大。断开IC1插座的1和3脚短接线并插上IC1，此时再用示波器监视IC4的1脚信号，应能看到超声波脉冲串，如图8-33所示。 项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计2调整误检测电路通常该部分电路不需要调整，但如果发现测量几米外的物体，电路始终显示为0.40，这表明该仪器受到自身发出的检测脉冲干扰。这时我们需检查C11或稍许增多C11的容量图8-32。说明：图8-34中第1条线测得于IC6的第1脚，第2条线测得于IC5的3脚，第3条线测得于IC4的1脚，第4条线测得于IC6的10脚。3调节计数电路脉冲频率让电路板垂直于墙面1m处，调节VR3在中间位置，再调节VR2使显示1.00，但在环境温度改变时，一般需再次调节VR2，校准测距仪。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计4关于短距离的测量当我们将测距仪逐渐靠近被测物体，最终读数显示在34cm左右。因为这个电路C11取值为0.1uF，由于防误检测电路的保护作用，所以最小测试距离限制为34cm左右，如要进一步缩短测试距离，由前面分析可知，我们必须让发出的测试脉冲宽度更窄，同时减小防误检测电路C11的容量。但由于超声波发射器的输出功率有限，如果缩短测试脉冲时间，意味着减小了测试脉冲的输出功率，在测试距离增加时，会使反射回来的信号很弱，造成仪器在长距离测量时受到影响。5关于长距离测量长距离测量由于各种因素的影响会困难一些。有几点测量时我们必须注意以下几点：1）被测目标必须垂直于超声波测距仪。2）被测目标表面必须平坦。3）测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体。由于发射功率有限，测距仪无法测量10m外的物体。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计项项目拓展与评价目拓展与评价一、训练题目与要求1采用其它技术方案实现超声波测距仪电路。项目三项目三 超声波测距仪的设计超声波测距仪的设计