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数字式超声波测距仪的研制

导读: 超声波测距仪由超声波发生电路、超声波接收放大电路、计数和显示电路组成。

  1、引言

  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。

  2、超声波测距仪电路组成和工作原理

  超声波测距仪由超声波发生电路、超声波接收放大电路、计数和显示电路组成。

  2.1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tw≈1.1R5C5≈1ms。EN556(U2n)组成多谐振荡器,振荡频率f1=1/T1≈1/{0.7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40kHz。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U1a~U1e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。

 

  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。

  2.2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。

 

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