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1、超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。本文设计的数字式超声波测距仪通过对超声波往返时间内输入到计数器特定频率的时钟脉冲进行计数，进而显示对应的测量距离。一超声波发生电路图 1 为超声波发生电路。双定时器 EN556(U2b)组成单稳态触发器。R6 和C6
2、 构成微分电路，其作用是：当按键 S2 按下时，低电平变成正负尖顶脉冲，经过 VD1 得到负尖顶脉冲，触发单稳态触发器翻转。单稳态翻转输出的高电平持续约 1ms，即 tw11R5C51ms。EN556(U2n)组成多谐振荡器，振荡频率f1=1T1107(R1+R2)+2(R3+R4)C340kHz。该振荡器振荡受单稳态触发器输出电平控制。当单稳态触发器输出高电平时，多谐振荡器产生振荡，EN556 的引脚 5 输出约 40 个频率为 40kHz、占空比约 50的矩形脉冲。考虑到多谐振荡器起振阶段不稳定，因此设计输 m 脉冲数较多。若输出脉冲数太少，则发射强度小，测量距离短。但脉冲数过多，发射持续
3、时间长，在距离被测物较近时，脉冲串尚未发射完，这样导致先发射出的脉冲产生的回波将到达接收端，影响测距结果，造成测距盲区增大。74HC04(U1)的 U1aU1e 组成超声波脉冲驱动电路，可提高驱动超声波发送传感器的脉冲电压幅值，有效进行电声转换，增强发射超声波的能力，增大测量距离。40kHz 脉冲串的一路经 U1a反相，再经由 U1b 和 U1e 并联的反相器反相；其另一路经南 U1c 和 U1d 并联的反相器反相。图 1 超声波发生电路这样，施加在超声波发送传感器两端上的 2 路脉冲电压相位相反，使超声波发送传感器两端上的脉冲电压峰一峰值提升近电源电压的 2 倍，输出功率提高4 倍。2 个
4、CMOS 门并联可增大输出驱动电流。电容 C1 用于隔直流，避免直流电压长时间施加到超声波传感器，造成超声波传感器绝缘电阻下降，导致超声波传感器性能降低。二超声波接收放大和整形电路超声波接收放大和整形电路如图 2 所示。图 2 超声波放大和整形电流超声波接收传感器将收到的返回超声波转成微弱电信号，经 CX20106A 放大、整形后，输出负脉冲电压。CX20106A 是红外线遥控接收器，其内部由前置放大、带通滤波、检波和波形整形等电路组成。通过外接电阻，将其内部带通滤波电路的中心频率 f0 设置为 40kHz，就可接收和放大超声波电信号，并整形输出负脉冲电压。该器件的引脚 1 是超声波电信号输入
5、端，引脚 2 与地之间连接RC 串联网络，这是内部前置放大电路负反馈网络的组成部分，改变电阻 R8 的数值则改变前置放大电路的增益。引脚 3 与地之间连接检波电容 C9，适当改变C9 就可改变超声波电信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。引脚 5 与电源间接一只电阻，用以设置内部带通滤波电路的中心频率 f0。当 R9=200k 时，f0=40kHz。引脚 6 与地之间接一只积分电容 C10 标准值为 330pF。如果该电容值取得太大，输出脉冲低电平持续时间就会增加，测量距离变短。引脚 7 是电路集电极开路输出端，R10 是该引脚的上托电阻。当 CX20106A 无信号输入时，引脚 7 输出高
6、电平。输入的超声波电信号经放大、整形后，引脚 7 输出负脉冲电压。采用 CX20106A 实现超声波接收放大和整形，可避免采用多级集成运放组成高增益放大电路易产生自激等问题。在发射超声波期间，图 2 中 C 点为高电平(tW1ms)，三极管 VQ1 导通，超声波电信号输入端短路，从而避免接收到超声波而发送传感器发出的直射波。所以该测距仪理论上最小测量距离(肓区)约为 Smin=Ctw/2017m。其中，C是超声波在空气中的传播速度。因为超声波在空气中传播能量会不断衰减，所以超声波测距存在最大有效测量距离。该最大有效测量距离与多种因素有关：超声波传感器性能，驱动超声波传感器脉冲电压幅值(功率)，
7、被测物形状，被测物吸波特性，反射波与入射波夹角，超声波接收放大电路灵敏度等。三计数和显示电路计数和显示电路如图 3 所示。CD40110B 是十进制可逆计数锁存译码驱动器，具有加减计数、计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。每段输出电流最大为 25mA，可直接驱动七段共阴极 LED 数码管。其中，引脚 CPU为加法计数时钟脉冲输入端：Qco 是加法计数进位输出端；引脚 TE 为使能端，TE=0 时，计数器工作， TE=1 时，计数器禁止计数； LE 为锁存控制端；LE=1时，显示数据保持不变，但内部计数器仍正常工作。3 个 CD40110B 组成 3 位十进制加法计数器。3 位 LED 数码
8、管显示测量距离。U7 对应的 LED 数码管单位为 m，U6 对应的 LED 数码管单位为 dm，U5 对应的 LED 数码管单位为cm。74HC00 的 U4a 和 U4d 组成计数电路脉冲发生器。其振荡频率f21 22xC12(R35+W)。当环境温度是 25 。测量距离 S 为 1m 时，超声波往返时间 T=2SC58ms。图三计数和显示电路这时计数器显示应为 100，即 1m。因此计数器在 T58ms 应计数到N=100，这时要求计数电路脉冲发生器脉冲周期 T2=TN=5 8x102ms ，即要求计数电路脉冲发生器频率应为 f2=1/T2=NT172kHz。要使计数电路脉冲发生器的频率
9、是 172kHz，当 C12 为 2200pF 时，R35+W=1(22C12f2)12k。由于不同环境温度下，超声波在空气中的传播速度也不同，所需的计数电路脉冲发生器的频率也就不一样。为提高在不同环境温度下测量的精度，用精密电位器 W 调节计数电路脉冲发生器的频率，使测距仪显示为100。U1f、U4b、U4c 组成 RS 触发器。发射超声波时，C 点为高电平，超声波接收放大电路的三极管 VQI 导通，超声波接收放大电路无信号输入，E 点输出高电平，RS 触发器的 U4cF 点输出为低电平，此时 CD40110B 处于十进制加法计数状态，对脉冲发生器的输入脉冲计数。当超声波发射完毕，C 点为低
10、电平。若超声波接收放大电路未接收到返回的超声波，E 点仍为高电平，则RS 触发器的 U4cF 点输出仍保持低电平，CD40110B 继续计数。一旦超声波接收放大电路接收到返回的超声波，E 点变为低电平，RS 触发器的 U4cF 点输出变为高电平，CD40110B 停止计数，并锁存显示计数数值； E 点恢复高电平，RS 触发器的 U4cF 点输出仍保持高电平，CD40110B 仍停止计数、锁存显示计数数值的状态。若被测物超出最大有效测量距离，或者没有被测物时，超声波接收放大电路一直未接收到返回的超声波，E 点始终为高电平，计数器计数到 999 后，再加 1 计数时，U7 产生进位输出，该进位输出
11、使三位计数器复位，显示“000”，表示测距无效。同时，三极管 VQ2 瞬时饱和导通，E 点电位瞬时变为低电平，F 点电位变为高电平。C11 和 R12 构成上电复位电路，接通电源或按复位键 S1 瞬间，三位计数器复位，显示 “000”。同时，三极管 VQ2 瞬时饱和导通，E 点电位瞬时变为低电平。F 点电位为高电平。图 4 为超声波工作波形。图四超声波工作波形图四器件选型和仪器使用发送传感器采用 MA40S2S，接收传感器采用 MA40S2R，其中心频率f0=40kHz。超声波测距仪电路有两个多谐振荡器，为减少实际振荡频率与理论设计频率的误差，且使振荡频率稳定。振荡电路采用误差等级小的金属膜电
12、阻和温度系数小的 CB 型聚苯乙烯电容。设计 PCB 板时，填充和加大“地”线面积，避免多谐振荡器之间，以及振荡器对超声波接收放大电路产生干扰。超声波发送传感器和接收传感器平行安装，两者间保持 48cm 的距离。根据测量范同要求不同，可调整超声波接收放大电路检波电容 C9 的值，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。在不同环境温度下使用时，为减少测量误差，使用前需校准测距仪。最好选择与被测物距离相近的标准距离校准。如预计被测物距离约 2m，则在室内选择离墙壁 2m 的标准距离校准。每次测距时，须上电复位或按复位键 S1，显示“000”后，才可按测距开始键 S2 进行测距。测量时，被测物要垂直于超声波测距仪被测物表面要平坦。数字式超声波测距仪体积小，重量轻，便于携带，操作简单，测距迅速。读数直观。实验表明，最大有效测量距离很难达到 1Om 以上，经过与被测物距离相近的标准距离校准后，测量误差较小，但测量量程有限。参考文献1.纪良文，蒋静坪机器人超声波的采集与技术应用，电子技术应用2001，(4 ）： 17-182.张和生，宋明耀，提高超声波测距精度的设计，电子产品世界，2004，（13）：87-89资料来源：
