超声波测距仪制作方案 - 全文

        该测距仪采用NE555电路、两级级放大电路和电平比较电路实现了超声波的发射与接收。比较器为该测距仪的核心单元，实现发射电路的控制和接收数据的处理。本系统具有很强的实用价值和良好的市场前景。

　　一 总的方案

　　1.1可选方案

　　方案一：利用分立模块的超声波测距仪

　　系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。

　　超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制(如图1所示);超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。

　　显示模块是一个8位段数码显示的LCD;测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。

　　电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。

　　

 

　　图1 超声波测距的结构

　　方案二：基于PIC16F876A单片机的超声波测距仪

　　超声波测距仪主要以单片机PIC16F876A为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时 ，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，超声波在空气中的传播速度为340m/ s，根据计时器记录的时间t ，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即s=340×t/2， 这就是常用的时差法测距。

　　在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供脉冲信号，单片机计数器处于等待状态，不计数;当信号发射一段时间后，由单片机发出信号使系统关闭发射信号，计数器开始计数，实现起始时的同步;当接收信号的最后一个脉冲到来后，计数器停止计数。

　　双向超声波测距仪的系统主要有几下部分组成(如图2所示)： LED显示模块，PIC16F876A芯片，超声波发射模块，超声波接收模块，电源模块等五大模块组成。

　　

 

　　图2 系统设计总体框图

　　1.2方案选取

　　由于本次课程设计是数模电路设计，，并且考虑到单片机编程对于小组成员都不熟悉，调试将遇到更大困难。方案一电路都为所学知识搭建，原理比较熟悉，故采用了硬件电路较复杂的方案一。

　　二 设计与实现

　　超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C

　　式中 L——要测的距离

　　T——发射波和反射波之间的时间间隔

　　C——超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s

　　声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。

　　2.1超声波测距原理

　　2.1.1 发射部分：

　　

 

　　图3 超声波发射结构图

　　由两块555集成电路组成。IC1(555)组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。

　　条件: RA =9.1MΩ、 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。计算公式如下：

　　条件: 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)组成超声波发射头驱动电路。

　　

 

　　图4 超声波发射电路图

　　2.1.2接收部分：

　　

 

　　图5 超声波接收结构图

　　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(LM358)组成信号比较器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb) = (47KΩ x 9V)/(1MΩ + 47KΩ) = 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。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。

　　

 

　　图6 超声波接收电路图

　　2.1.3 显示部分：

　　

 

　　图7 超声波显示结构图

　　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

　　v=331.5+0.6×t,其中v的单位为m/s,t为环境温度，单位为℃。

　　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

　　f=100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。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 103) = 12KΩ

　　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：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，调节计数电路脉冲发生器的频率(VR2和VR3)，使其显示为100即可。

　　这里简单介绍一下计数器的清零及数据锁存过程。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。

　　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、TR1-TR3组成显示电路。

　　

 

　　图8 超声波显示电路图

　　2.2 PCB制作过程

　　热转印制作作简单，制作精度高，相对与其他的制作方法成本低。

　　第1步：利用PROTEL组织SCH，再生成相应PCB图

　　第2步：将PCB图打印到热转印纸上。

　　第3步：将打印好PCB的转印纸平铺在覆铜板上，准备转印。

　　第4步：用电熨斗加温(要很热)将转印纸上黑色碳粉压在覆铜板上形成高精度的抗腐层。

　　第5步：电熨斗加温加压转印。

　　第6步：准备好三氯化铁溶液进行腐蚀。

　　第7步：腐蚀结束，准备焊接。

　　第8步：用台钻或小手钻打孔。

　　第9步：安装所需预定原件并焊接好。

　　三.调试

　　3.1 调整发射接收电路

　　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。

　　3.2 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。

　　3.3 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。

　　四.注意事项

　　1 元件的选取： 元件的特性曲线各不相同，导致电路无法实现基本功能

　　2 PCB制作方式:由于设备的缺陷导致PCB制作的不足

　　五.结论

　　实物图：

　　

 

　　原理图：