超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強。超聲波能以一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測定超聲波往返所用時間就可計算出實際距離，從而實現(xiàn)無接觸測量物體距離。超聲波測距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應(yīng)用于水文液位測量、建筑施工工地的測量、現(xiàn)場的位置監(jiān)控、車輛倒車障礙物的檢測、移動機器入探測定位等領(lǐng)域。本文設(shè)計的數(shù)字式超聲波測距儀通過對超聲波往返時間內(nèi)輸入到計數(shù)器特定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù)，進而顯示對應(yīng)的測量距離。
2 超聲波測距儀電路組成和工作原理
超聲波測距儀由超聲波發(fā)生電路、超聲波接收放大電路、計數(shù)和顯示電路組成。
2．1 超聲波發(fā)生電路
圖1為超聲波發(fā)生電路。雙定時器EN556(U2b)組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。R6和C6構(gòu)成微分電路，其作用是：當(dāng)按鍵S2按下時，低電平變成正負尖頂脈沖，經(jīng)過VD1得到負尖頂脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出的高電平持續(xù)約1 ms，即tw≈1．1R5C5≈1 ms。EN556(U2n)組成多諧振蕩器，振蕩頻率f1=1／T1≈1／{0．7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40 kHz。該振蕩器振蕩受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電平控制。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平時，多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩，EN556的引腳5輸出約40個頻率為40 kHz、占空比約50％的矩形脈沖。考慮到多諧振蕩器起振階段不穩(wěn)定，因此設(shè)計輸m脈沖數(shù)較多。若輸出脈沖數(shù)太少，則發(fā)射強度小，測量距離短。但脈沖數(shù)過多，發(fā)射持續(xù)時間長，在距離被測物較近時，脈沖串尚未發(fā)射完，這樣導(dǎo)致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達接收端，影響測距結(jié)果，造成測距盲區(qū)增大。74HC04(U1)的U1a~U1e組成超聲波脈沖驅(qū)動電路，可提高驅(qū)動超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值，有效進行電／聲轉(zhuǎn)換，增強發(fā)射超聲波的能力，增大測量距離。40 kHz脈沖串的一路經(jīng)U1a反相，再經(jīng)由U1b和U1e并聯(lián)的反相器反相；其另一路經(jīng)南U1c和U1d并聯(lián)的反相器反相。
這樣，施加在超聲波發(fā)送傳感器兩端上的2路脈沖電壓相位相反，使超聲波發(fā)送傳感器兩端上的脈沖電壓峰一峰值提升近電源電壓的2倍，輸出功率提高4倍。2個CMOS門并聯(lián)可增大輸出驅(qū)動電流。電容C1用于隔直流，避免直流電壓長時間施加到超聲波傳感器，造成超聲波傳感器絕緣電阻下降，導(dǎo)致超聲波傳感器性能降低。
2．2 超聲波接收放大和整形電路
超聲波接收放大和整形電路如圖2所示。
超聲波接收傳感器將收到的返回超聲波轉(zhuǎn)成微弱電信號，經(jīng)CX20106A放大、整形后，輸出負脈沖電壓。CX20106A是紅外線遙控接收器，其內(nèi)部由前置放大、帶通濾波、檢波和波形整形等電路組成。通過外接電阻，將其內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0設(shè)置為40 kHz，就可接收和放大超聲波電信號，并整形輸出負脈沖電壓。該器件的引腳1是超聲波電信號輸入端，引腳2與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這是內(nèi)部前置放大電路負反饋網(wǎng)絡(luò)的組成部分，改變電阻R8的數(shù)值則改變前置放大電路的增益。引腳3與地之間連接檢波電容C9，適當(dāng)改變C9就可改變超聲波電信號放大和整形電路的靈敏度和抗干擾能力。引腳5與電源間接一只電阻，用以設(shè)置內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0。當(dāng)R9=200 kΩ時，f0=40 kHz。引腳6與地之間接一只積分電容C10標(biāo)準(zhǔn)值為330 pF。如果該電容值取得太大，輸出脈沖低電平持續(xù)時間就會增加，測量距離變短。引腳7是電路集電極開路輸出端，R10是該引腳的上托電阻。當(dāng)CX20106A無信號輸入時，引腳7輸出高電平。輸入的超聲波電信號經(jīng)放大、整形后，引腳7輸出負脈沖電壓。采用CX20106A實現(xiàn)超聲波接收放大和整形，可避免采用多級集成運放組成高增益放大電路易產(chǎn)生自激等問題。
在發(fā)射超聲波期間，圖2中C點為高電平(tW≈1 ms)，三極管V Q1導(dǎo)通，超聲波電信號輸入端短路，從而避免接收到超聲波而發(fā)送傳感器發(fā)出的直射波。所以該測距儀理論上最小測量距離(肓區(qū))約為Smin=Ctw/2≈0．17 m。其中，C是超聲波在空氣中的傳播速度。因為超聲波在空氣中傳播能量會不斷衰減，所以超聲波測距存在最大有效測量距離。該最大有效測量距離與多種因素有關(guān)：超聲波傳感器性能，驅(qū)動超聲波傳感器脈沖電壓幅值(功率)，被測物形狀，被測物吸波特性，反射波與入射波夾角，超聲波接收放大電路靈敏度等。
2．3 計數(shù)和顯示電路
計數(shù)和顯示電路如圖3所示。CD40110B是十進制可逆計數(shù)／鎖存／譯碼／驅(qū)動器，具有加減計數(shù)、計數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。每段輸出電流最大為25 mA，可直接驅(qū)動七段共陰極LED數(shù)碼管。其中，引腳CPU為加法計數(shù)時鐘脈沖輸入端：Qco是加法計數(shù)進位輸出端；引腳TE為使能端，TE=0時，計數(shù)器工作，TE=1時，計數(shù)器禁止計數(shù)；LE為鎖存控制端；LE=1時，顯示數(shù)據(jù)保持不變，但內(nèi)部計數(shù)器仍正常工作。3個CD40110B組成3位十進制加法計數(shù)器。3位LED數(shù)碼管顯示測量距離。U7對應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為m，U6對應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為dm，U5對應(yīng)的LED數(shù)碼管單位為cm。74HC00的U4a和U4d組成計數(shù)電路脈沖發(fā)生器。其振蕩頻率f2≈1／[2．2xC12×(R35+W)]。當(dāng)環(huán)境溫度是25℃。測量距離S為1 m時，超聲波往返時間T=2S／C≈5．8 ms。
這時計數(shù)器顯示應(yīng)為1．00，即1 m。因此計數(shù)器在T＝5．8 ms應(yīng)計數(shù)到N=100，這時要求計數(shù)電路脈沖發(fā)生器脈沖周期T2=T／N=5．8x10－2ms，即要求計數(shù)電路脈沖發(fā)生器頻率應(yīng)為f2=1/T2=N／T≈17．2 kHz。要使計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率是17．2 kHz，當(dāng)C12為2 200 pF時，R35+W=1／(2．2C12f2)≈12 kΩ。由于不同環(huán)境溫度下，超聲波在空氣中的傳播速度也不同，所需的計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率也就不一樣。為提高在不同環(huán)境溫度下測量的精度，用精密電位器W調(diào)節(jié)計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率，使測距儀顯示為1．00。U1f、U4b、U4c組成RS觸發(fā)器。發(fā)射超聲波時，C點為高電平，超聲波接收放大電路的三極管VQI導(dǎo)通，超聲波接收放大電路無信號輸入，E點輸出高電平，RS觸發(fā)器的U4c F點輸出為低電平，此時CD40110B處于十進制加法計數(shù)狀態(tài)，對脈沖發(fā)生器的輸入脈沖計數(shù)。當(dāng)超聲波發(fā)射完畢，C點為低電平。若超聲波接收放大電路未接收到返回的超聲波，E點仍為高電平，則RS觸發(fā)器的U4c F點輸出仍保持低電平，CD40110B繼續(xù)計數(shù)。一旦超聲波接收放大電路接收到返回的超聲波，E點變?yōu)榈碗娖剑琑S觸發(fā)器的U4c F點輸出變?yōu)楦唠娖剑珻D40110B停止計數(shù)，并鎖存顯示計數(shù)數(shù)值；E點恢復(fù)高電平，RS觸發(fā)器的U4cF點輸出仍保持高電平，CD40110B仍停止計數(shù)、鎖存顯示計數(shù)數(shù)值的狀態(tài)。若被測物超出最大有效測量距離，或者沒有被測物時，超聲波接收放大電路一直未接收到返回的超聲波，E點始終為高電平，計數(shù)器計數(shù)到999后，再加1計數(shù)時，U7產(chǎn)生進位輸出，該進位輸出使三位計數(shù)器復(fù)位，顯示“0．00”，表示測距無效。同時，三極管VQ2瞬時飽和導(dǎo)通，E點電位瞬時變?yōu)榈碗娖剑現(xiàn)點電位變?yōu)楦唠娖健11和R12構(gòu)成上電復(fù)位電路，接通電源或按復(fù)位鍵S1瞬間，三位計數(shù)器復(fù)位，顯示“0．00”。同時，三極管VQ2瞬時飽和導(dǎo)通，E點電位瞬時變?yōu)榈碗娖健點電位為高電平。圖4為超聲波工作波形。
3 器件選型和儀器使用
發(fā)送傳感器采用MA40S2S，接收傳感器采用MA40S2R，其中心頻率f0=40 kHz。超聲波測距儀電路有兩個多諧振蕩器，為減少實際振蕩頻率與理論設(shè)計頻率的誤差，且使振蕩頻率穩(wěn)定。振蕩電路采用誤差等級小的金屬膜電阻和溫度系數(shù)小的CB型聚苯乙烯電容。設(shè)計PCB板時，填充和加大“地”線面積，避免多諧振蕩器之間，以及振蕩器對超聲波接收放大電路產(chǎn)生干擾。超聲波發(fā)送傳感器和接收傳感器平行安裝，兩者間保持4～8 cm的距離。根據(jù)測量范同要求不同，可調(diào)整超聲波接收放大電路檢波電容C9的值，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。在不同環(huán)境溫度下使用時，為減少測量誤差，使用前需校準(zhǔn)測距儀。最好選擇與被測物距離相近的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)。如預(yù)計被測物距離約2 m，則在室內(nèi)選擇離墻壁2 m的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)。每次測距時，須上電復(fù)位或按復(fù)位鍵S1，顯示“0．00”后，才可按測距開始鍵S2進行測距。測量時，被測物要垂直于超聲波測距儀被測物表面要平坦。
4 結(jié)束語
數(shù)字式超聲波測距儀體積小，重量輕，便于攜帶，操作簡單，測距迅速。讀數(shù)直觀。實驗表明，最大有效測量距離很難達到1O m以上，經(jīng)過與被測物距離相近的標(biāo)準(zhǔn)距離校準(zhǔn)后，測量誤差較小，但測量量程有限。