2022年超声波测距仪制作与电路设计方案分析.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用超声波测距仪的制作与电路设计分析 < 常规器件）发布 : 2022-6-19 17:08 | 作者: wang1jin | 来源 : 网络 | 查看: 43 次这里介绍一款国外的不使用 单片机 的 超声波测距仪 ；本超声波测距仪通过测量超声波 发射 到反射回来的时间差来测量与被测物体的距离；可以测量 0.35-10m 的距离；实物图如下：原理 图如下：名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用一、 电路原理 1 超声波发射电路由两块 555 集成电路组成；IC1<555）组成超声波脉冲信号 发生器,工作周期运算公式如下,实际电路中由于元 器件 等误差,会有一些差别；条件 : RA =9.1M 、 RB=150K、 C=0.01 FTL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 150 x 103x 0.01 x 10-6 = 1 msec TH = 0.69 x RA + RB> x C = 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6 = 64 msec 1ms频率 40kHz ,占空比 50 的IC2 组成超声波载波信号发生器；由IC1 输出的脉冲信号掌握,输出脉冲,停止 64ms ；运算公式如下：条件 : RA =1.5K 、 RB=15K、 C=1000pF TL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12= 10 secTH = 0.69 x RA + RB> x C 名师归纳总结 = 0.69 x 16.5 x 103x 1000 x 10-12= 11 sec第 2 页,共 10 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用f = 1/TL + TH> = 1/10.35 + 11.39> x 10-6 > = 46.0 KHz IC3<CD4069）组成超声波发射头 驱动 电路；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,为保证其牢靠工作,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沟通信号的质量,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；名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 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；其中Vrf = Rb x Vcc>/Ra + Rb> = 47K x 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" ；同时留意到在 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,在测距仪的四周会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测；为防止这种情形发生,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,当测量距离小到肯定程度时,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；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用IC6 组成 R-S 触发器构成时间测量电路；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来回时间；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,原理图如下；其工作频率 f = 1/2.2 x C x R>；电路频率设计在17.2kHz左右；这个频率是依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转变,其关系为 v 331.5+0.6 ×t, 其中 v 的单位为 m/s,t 为环境温度,单位为；Temperature > Speed of sound m/sec> 名师归纳总结 -10 325.5 第 5 页,共 10 页0 331.5 10 337.5 20 343.5 30 349.5 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 40 355.5 个人资料整理仅限学习使用50 361.5 有关运算如下：测量距离为 1m 的物体时,声波的来回时间为：2m/343.5m/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 f100/5.82×10-3>=17.18kHz>；如电容 C 即C14> 为 2200pF,此时电阻R = 1/2.2 x C x f> = 1/2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 10 3> = 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具有肯定的调剂范畴,这里用 VR2,VR3 进行调剂,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：温度为 46.5 时,f = 1/2.2 x C x R> = 1/2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103> 17.97KHz 环境温度为 1.5 时 f = 1/2.2 x C x R> > = 1/2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 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 ,调剂计数电路脉冲发生器的频率<VR2和 VR3 ）,使其显示为100 即可；A 点波形即表现测试脉冲来回的时间,当A 点电位这里简洁介绍一下计数器的清零及数据锁存过程；名师归纳总结 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 内与非第 6 页,共 10 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 门被打开, IC8 开头通过 CLOCK 脚计数；同样当个人资料整理仅限学习使用CA 点电位由高变低时,由于C2 电压不能突变,故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 开头停止计数,完成计数过程； C15用于掌握显示部分的刷新频率,当C15 为 1000pF时,刷新频率为1100Hz ,由 IC9 、 LED1-LED3 、TR1 TR3 组成显示电路；二、元件挑选这里采纳的超声波发射头为T40-16,接收头为 R40-16.参数和形状如下：Item Specifications 名师归纳总结 Center frequency KHz> 40 第 7 页,共 10 页Overpressure value dB> 115 < Sensitivity dB> -64 < Diameter 16.2 Major diameter size 12.2 Height mm> 10.0 rito . interval - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用三、印刷电路板四、调试 1 调整发射接收电路名师归纳总结 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,并会连续发出高第 8 页,共 10 页频载波信号,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,渐渐调剂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,- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用应能看到超声波脉冲串；2 调整误检测电路 通常该部分电路不需要调整,但假如发觉测量几 M 外的物体,电路始终显示为0.40 ,这说明该仪器受到自身发出的检测脉冲干扰；这时我们需检查或稍许增多 C11 的容量,说明第 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 调剂计数电路脉冲频率 让电路板垂直于墙面 1m 处,调剂 VR3 在中间位置,再调剂 VR2 使显示 1.00 ,但在环境温度转变时,一般需再次调剂 VR2 ,校准测距仪；4 关于短距离的测量 当我们将测距仪逐步靠近被测物体,最终读数显示在 34cm 左右；由于这个电路 C11 取值为 0.1uF ,由于防误检测电路的爱护作用,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,我们必需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,假如缩短测试脉冲时间,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需留意：1）被测目标必需垂直于超声波测距仪；2）被测目标表面必需平整；名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用3）测量时在超声波测距仪四周没有其他可反射超声波的物体；名师归纳总结 由于发射功率有限,测距仪无法测量10m外的物体；第 10 页,共 10 页- - - - - - -