??????? 該測距儀采用NE555電路、兩級級放大電路和電平比較電路實(shí)現(xiàn)了超聲波的發(fā)射與接收。比較器為該測距儀的核心單元，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電路的控制和接收數(shù)據(jù)的處理。本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和良好的市場前景。

　　一 總的方案

　　1.1可選方案

　　方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀

　　系統(tǒng)包括超聲波測距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動(dòng)模組控制模組及電源五部分。

　　超聲波測距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制(如圖1所示);超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。

　　顯示模塊是一個(gè)8位段數(shù)碼顯示的LCD;測量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為X點(diǎn)XX米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

　　電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。

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　　圖1 超聲波測距的結(jié)構(gòu)

　　方案二：基于PIC16F876A單片機(jī)的超聲波測距儀

　　超聲波測距儀主要以單片機(jī)PIC16F876A為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動(dòng)周圍空氣振動(dòng)來工作的.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí) ，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/ s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t ，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 s，即s=340×t/2， 這就是常用的時(shí)差法測距。

　　在測距計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機(jī)計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計(jì)數(shù);當(dāng)信號發(fā)射一段時(shí)間后，由單片機(jī)發(fā)出信號使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起始時(shí)的同步;當(dāng)接收信號的最后一個(gè)脈沖到來后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

　　雙向超聲波測距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成(如圖2所示)： LED顯示模塊，PIC16F876A芯片，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。

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　　圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

　　1.2方案選取

　　由于本次課程設(shè)計(jì)是數(shù)模電路設(shè)計(jì)，，并且考慮到單片機(jī)編程對于小組成員都不熟悉，調(diào)試將遇到更大困難。方案一電路都為所學(xué)知識(shí)搭建，原理比較熟悉，故采用了硬件電路較復(fù)雜的方案一。

　　二 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　超聲測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。 通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L。基本的測距公式為：L=(△t/2)*C

　　式中 L——要測的距離

　　T——發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔

　　C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s

　　聲速確定后，只要測出超聲波往返的時(shí)間，即可求得L。

　　2.1超聲波測距原理

　　2.1.1 發(fā)射部分：

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　　圖3 超聲波發(fā)射結(jié)構(gòu)圖

　　由兩塊555集成電路組成。IC1(555)組成超聲波脈沖信號發(fā)生器，工作周期計(jì)算公式如下，實(shí)際電路中由于元器件等誤差，會(huì)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(fā)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(jì)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(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路。

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　　圖4 超聲波發(fā)射電路圖

　　2.1.2接收部分：

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　　圖5 超聲波接收結(jié)構(gòu)圖

　　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(jīng)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(yùn)算放大器需要正、負(fù)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(jìn)行分壓，這時(shí)在IC4的同相端有4.5V的中點(diǎn)電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質(zhì)量，不至于產(chǎn)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(jìn)行處理。

　　IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號比較、測量、計(jì)數(shù)和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時(shí)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(LM358)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(dāng)A點(diǎn)(IC5的反相端)過來的脈沖信號電壓高于0.4V時(shí)，B點(diǎn)電壓將由高電平"1"到低電平"0"。同時(shí)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(shè)置的。在實(shí)際測量時(shí)，在測距儀的周圍會(huì)有部分發(fā)出的超聲波直接進(jìn)入接收頭而形成誤檢測。為避免這種情況發(fā)生，這里用D3直接引入檢測脈沖來適當(dāng)提高IC5比較器的門限轉(zhuǎn)換電壓，并且這個(gè)電壓由C11保持一段時(shí)間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時(shí)，由于D3的作用使IC5的門限轉(zhuǎn)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(shí)由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當(dāng)測量距離小到一定程度時(shí)，由于D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會(huì)受到影響。圖示參數(shù)的最小測量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20 時(shí)可做到30cm測量最短距離。此時(shí)其放電時(shí)間為1.75ms。

　　IC6組成R-S觸發(fā)器構(gòu)成時(shí)間測量電路。可以看出，在發(fā)出檢測脈沖時(shí)(A端為高電平)，D端輸出高電平，當(dāng)收到反射回來的檢測脈沖時(shí)，C端由高變低，此時(shí)D端變?yōu)榈碗娖剑瘦敵龆薉的高電平時(shí)間即為測試脈沖往返時(shí)間。

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　　圖6 超聲波接收電路圖

　　2.1.3 顯示部分：

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　　圖7 超聲波顯示結(jié)構(gòu)圖

　　計(jì)數(shù)和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)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(shè)計(jì)在17.2kHz左右。這個(gè)頻率是根據(jù)聲波在環(huán)境溫度為20℃ 時(shí)的傳播速度為343.5m/s確定的。我們知道在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會(huì)有所改變，其關(guān)系為

　　v=331.5+0.6×t,其中v的單位為m/s,t為環(huán)境溫度，單位為℃。

　　測量距離為1m的物體時(shí)，聲波的往返時(shí)間為：2m/343.5(m/s)=5.82ms。這時(shí)計(jì)數(shù)器顯示應(yīng)為100，即1m，此時(shí)計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率

　　f=100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。如電容C(即C14)為2200pF，此時(shí)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(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會(huì)不同，為適應(yīng)不同環(huán)境溫度下測量的需要，我們要求電阻R具有一定的調(diào)節(jié)范圍，這里用VR2,VR3進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中VR2為粗調(diào)電阻，VR3為精調(diào)電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計(jì)數(shù)脈沖頻率值，

　　如：溫度為46.5℃ 時(shí)，f = 1/(2.2 x C x R) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103) =17.97KHz

　　環(huán)境溫度為1.5 ℃時(shí)f = 1/(2.2 x C x R) ) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz

　　實(shí)際上，在不同環(huán)境溫度下時(shí)，我們只要測試標(biāo)準(zhǔn)距離1m，調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)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(jì)數(shù)器的清零及數(shù)據(jù)鎖存過程。A點(diǎn)波形即表現(xiàn)測試脈沖往返的時(shí)間，當(dāng)A點(diǎn)電位由低變高時(shí)，由于C1電壓不能突變，故B點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖信號使計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)IC6內(nèi)與非門被打開，IC8開始通過CLOCK腳計(jì)數(shù);同樣當(dāng)A點(diǎn)電位由高變低時(shí)，由于C2電壓不能突變，故C點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鎖存脈沖信號使計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，同時(shí)IC6的有關(guān)與非門被關(guān)閉，IC8開始停止計(jì)數(shù)，完成計(jì)數(shù)過程。

　　C15用于控制顯示部分的刷新頻率，當(dāng)C15為1000pF時(shí)，刷新頻率為1100Hz，由IC9、LED1-LED3、TR1-TR3組成顯示電路。

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　　圖8 超聲波顯示電路圖

　　2.2 PCB制作過程

　　熱轉(zhuǎn)印制作作簡單，制作精度高，相對與其他的制作方法成本低。

　　第1步：利用PROTEL組織SCH，再生成相應(yīng)PCB圖

　　第2步：將PCB圖打印到熱轉(zhuǎn)印紙上。

　　第3步：將打印好PCB的轉(zhuǎn)印紙平鋪在覆銅板上，準(zhǔn)備轉(zhuǎn)印。

　　第4步：用電熨斗加溫(要很熱)將轉(zhuǎn)印紙上黑色碳粉壓在覆銅板上形成高精度的抗腐層。

　　第5步：電熨斗加溫加壓轉(zhuǎn)印。

　　第6步：準(zhǔn)備好三氯化鐵溶液進(jìn)行腐蝕。

　　第7步：腐蝕結(jié)束，準(zhǔn)備焊接。

　　第8步：用臺(tái)鉆或小手鉆打孔。

　　第9步：安裝所需預(yù)定原件并焊接好。

　　三.調(diào)試

　　3.1 調(diào)整發(fā)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(shí)IC2的4腳應(yīng)為高電平，并會(huì)持續(xù)發(fā)出高頻載波信號，頻率約為40KHz，此時(shí)可用示波器監(jiān)測IC4的1腳信號。讓超聲波探頭朝向一面墻，使發(fā)出的超聲波返回而被接受器檢測到，同時(shí)用示波器檢測IC4的1腳信號，慢慢調(diào)節(jié)VR1，使IC4的1腳輸出信號最大。 斷開IC1插座的1和3腳短接線并插上IC1，此時(shí)再用示波器監(jiān)視IC4的1腳信號，應(yīng)能看到超聲波脈沖串。

　　3.2 調(diào)整誤檢測電路

　　通常該部分電路不需要調(diào)整，但如果發(fā)現(xiàn)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(fā)出的檢測脈沖干擾。這時(shí)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。

　　3.3 調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)電路脈沖頻率

　　讓電路板垂直于墻面1m處，調(diào)節(jié)VR3在中間位置，再調(diào)節(jié)VR2使顯示1.00，但在環(huán)境溫度改變時(shí)，一般需再次調(diào)節(jié)VR2，校準(zhǔn)測距儀。

　　四.注意事項(xiàng)

　　1 元件的選取： 元件的特性曲線各不相同，導(dǎo)致電路無法實(shí)現(xiàn)基本功能

　　2 PCB制作方式:由于設(shè)備的缺陷導(dǎo)致PCB制作的不足

　　五.結(jié)論

　　實(shí)物圖：

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　　原理圖：