超聲波測距儀工作原理

該超聲波測距儀通過測量超聲波發射到反射回來的時間差來測量與被測物體的距離。可以測量0.35-10m的距離。 
原理圖如下：
 

一、電路原理
1 超聲波發射電路
     由兩塊555集成電路組成。IC1（555）組成超聲波脈沖信號發生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差別。
 
條件: RA =9.1MΩ、 RB=150KΩ、 C=0.01μF
TL = 0.69 x RB x C 
 = 0.69 x 150 x 103 x 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

IC2組成超聲波載波信號發生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出1ms頻率40kHz，占空比50％的脈沖，停止64ms。計算公式如下：
 
條件: RA =1.5KΩ、 RB=15KΩ、 C=1000pF
TL = 0.69 x RB x C 
 = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12  = 10μsec  
 
TH  = 0.69 x （RA + RB） x C 
 = 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12  = 11μsec  
 
f = 1/（TL + TH） 
 = 1/（（10.35 + 11.39） x 10-6）  = 46.0 KHz
IC3（CD4069）組成超聲波發射頭驅動電路。
 

2 超聲波接收電路
 
        超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經IC4的2級放大1000倍（60dB），第1級放大100倍（40dB），第2級放大10倍（20dB）。   由于一般的運算放大器需要正、負對稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9V）供電，為保證其可靠工作，這里用R10和R11進行分壓，這時在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質量，不至于產生信號失真。
 
C9、D1、D2、C10組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至IC5進行處理。
    IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號比較、測量、計數和顯示電路，即比較和測量從發出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下面分析其工作原理。

由Ra、Rb、IC5組成信號比較器。

其中Vrf = （Rb x Vcc）/（Ra + Rb）  = （47KΩ x 9V）/（1MΩ + 47KΩ）  = 0.4V 
    所以當A點（IC5的反相端）過來的脈沖信號電壓高于0.4V時，B點電壓將由高電平"1"到低電平"0"。同時注意到在IC5的同相端接有電容C11和二極管D3，這是用來防止誤檢測而設置的。在實際測量時，在測距儀的周圍會有部分發出的超聲波直接進入接收頭而形成誤檢測。為避免這種情況發生，這里用D3直接引入檢測脈沖來適當提高IC5比較器的門限轉換電壓，并且這個電壓由C11保持一段時間，這樣在超聲波發射器發出檢測脈沖時，由于D3的作用使IC5的門限轉換電壓也隨之被提高，并且由于C11的放電保持作用，可防止這時由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當測量距離小到一定程度時，由于D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響。圖示參數的zui小測量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環境溫度為20 時可做到30cm測量zui短距離。此時其放電時間為1.75ms。
 
   IC6組成R-S觸發器構成時間測量電路。可以看出，在發出檢測脈沖時（A端為高電平），D端輸出高電平，當收到反射回來的檢測脈沖時，C端由高變低，此時D端變為低電平，故輸出端D的高電平時間即為測試脈沖往返時間。
 
   計數和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計數電路脈沖發生器，原理圖如下。
 
其工作頻率f = 1/（2.2 x C x R）。電路頻率設計在17.2kHz左右。這個頻率是根據聲波在環境溫度為20℃ 時的傳播速度為343.5m/s確定的。我們知道在不同的環境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變，其關系為v＝331.5+0.6×t,其中v的單位為m/s,t為環境溫度，單位為℃。

有關計算如下：
     測量距離為1m的物體時，聲波的往返時間為：2m/343.5（m/s）=5.82ms。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發生器的頻率f＝100/（5.82×10-3）=17.18（kHz）。如電容C（即C14）為2200pF，此時電阻
R = 1/（2.2 x C x f） 
 = 1/（2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103）  = 12KΩ
由于在不同的環境溫度下，聲波的傳播速度會不同，為適應不同環境溫度下測量的需要，我們要求電阻R具有一定的調節范圍，這里用VR2,VR3進行調節，其中VR2為粗調電阻，VR3為精調電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數脈沖頻率值，如：溫度為46.5℃ 時，
f = 1/（2.2 x C x R） 
 = 1/（2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103） ＝17.97KHz
環境溫度為1.5 ℃時f = 1/（2.2 x C x R） ）
= 1/（2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103） = 16.53KHz 
    實際上，在不同環境溫度下時，我們只要測試標準距離1m，調節計數電路脈沖發生器的頻率（VR2和VR3），使其顯示為100即可。
 
    這里簡單介紹一下計數器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現測試脈沖往返的時間，當A點電位由低變高時，由于C1電壓不能突變，故B點會產生一個復位脈沖信號使計數器清零，同時IC6內與非門被打開，IC8開始通過CLOCK腳計數；同樣當A點電位由高變低時，由于C2電壓不能突變，故C點會產生一個鎖存脈沖信號使計數器數據被鎖存，同時IC6的有關與非門被關閉，IC8開始停止計數，完成計數過程。
 
  C15用于控制顯示部分的刷新頻率，當C15為1000pF時，刷新頻率為1100Hz，由IC9、LED1-LED3、TR1－TR3組成顯示電路。

二、元件選擇
   這里采用的超聲波發射頭為T40-16,接收頭為R40-16.參數和外形如下：

三、印刷電路板
   

四、調試
1 調整發射接收電路
    把IC1從插座上拔下，并短接IC1插座的1和3腳，這時IC2的4腳應為高電平，并會持續發出高頻載波信號，頻率約為40KHz，此時可用示波器監測IC4的1腳信號。讓超聲波探頭朝向一面墻，使發出的超聲波返回而被接受器檢測到，同時用示波器檢測IC4的1腳信號，慢慢調節VR1，使IC4的1腳輸出信號zui大。 斷開IC1插座的1和3腳短接線并插上IC1，此時再用示波器監視IC4的1腳信號，應能看到超聲波脈沖串。
 
2 調整誤檢測電路
    通常該部分電路不需要調整，但如果發現測量幾米外的物體，電路始終顯示為0.40，這表明該儀器受到自身發出的檢測脈沖干擾。這時我們需檢查或稍許增多C11的容量，說明第1條線測得于IC6的第1腳，第2條線測得于IC5的3腳，第3條線測得于IC4的1腳，第4條線測得于IC6的10腳。
 
3 調節計數電路脈沖頻率
     讓電路板垂直于墻面1m處，調節VR3在中間位置，再調節VR2使顯示1.00，但在環境溫度改變時，一般需再次調節VR2，校準測距儀。

4 關于短距離的測量
     當我們將測距儀逐漸靠近被測物體，zui終讀數顯示在34cm左右。因為這個電路C11取值為0.1uF，由于防誤檢測電路的保護作用，所以zui小測試距離限制為34cm左右，如要進一步縮短測試距離，由前面分析可知，我們必須讓發出的測試脈沖寬度更窄，同時減小防誤檢測電路C11的容量。但由于超聲波發射器的輸出功率有限，如果縮短測試脈沖時間，意味著減小了測試脈沖的輸出功率，在測試距離增加時，會使反射回來的信號很弱，造成儀器在長距離測量時受到影響。

5 關于長距離測量
長距離測量由于各種因素的影響會困難一些。有幾點測量時我們必須注意：
1）被測目標必須垂直于超聲波測距儀。
2）被測目標表面必須平坦。
3）測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。
由于發射功率有限，測距儀無法測量10m外的物體。