数字式超声波测距仪的研制

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1 ms，即tw≈1．1R5C5≈1 ms。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≈40 kHz。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40 kHz、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。40 kHz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。

    超声波接收传感器将收到的返回超声波转成微弱电信号，经CX20106A放大、整形后，输出负脉冲电压。CX20106A是红外线遥控接收器，其内部由前置放大、带通滤波、检波和波形整形等电路组成。通过外接电阻，将其内部带通滤波电路的中心频率f0设置为40 kHz，就可接收和放大超声波电信号，并整形输出负脉冲电压。该器件的引脚1是超声波电信号输入端，引脚2与地之间连接RC串联网络，这是内部前置放大电路负反馈网络的组成部分，改变电阻R8的数值则改变前置放大电路的增益。引脚3与地之间连接检波电容C9，适当改变C9就可改变超声波电信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。引脚5与电源间接一只电阻，用以设置内部带通滤波电路的中心频率f0。当R9=200 kΩ时，f0=40 kHz。引脚6与地之间接一只积分电容C10标准值为330 pF。如果该电容值取得太大，输出脉冲低电平持续时间就会增加，测量距离变短。引脚7是电路集电极开路输出端，R10是该引脚的上托电阻。当CX20106A无信号输入时，引脚7输出高电平。输入的超声波电信号经放大、整形后，引脚7输出负脉冲电压。采用CX20106A实现超声波接收放大和整形，可避免采用多级集成运放组成高增益放大电路易产生自激等问题。
    在发射超声波期间，图2中C点为高电平(tW≈1 ms)，三极管V Q1导通，超声波电信号输入端短路，从而避免接收到超声波而发送传感器发出的直射波。所以该测距仪理论上最小测量距离(肓区)约为Smin=Ctw/2≈0．17 m。其中，C是超声波在空气中的传播速度。因为超声波在空气中传播能量会不断衰减，所以超声波测距存在最大有效测量距离。该最大有效测量距离与多种因素有关：超声波传感器性能，驱动超声波传感器脉冲电压幅值(功率)，被测物形状，被测物吸波特性，反射波与入射波夹角，超声波接收放大电路灵敏度等。

2．3 计数和显示电路
    计数和显示电路如图3所示。CD40110B是十进制可逆计数／锁存／译码／驱动器，具有加减计数、计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。每段输出电流最大为25 mA，可直接驱动七段共阴极LED数码管。其中，引脚CPU为加法计数时钟脉冲输入端：Qco是加法计数进位输出端；引脚TE为使能端，TE=0时，计数器工作，TE=1时，计数器禁止计数；LE为锁存控制端；LE=1时，显示数据保持不变，但内部计数器仍正常工作。3个CD40110B组成3位十进制加法计数器。3位LED数码管显示测量距离。U7对应的LED数码管单位为m，U6对应的LED数码管单位为dm，U5对应的LED数码管单位为cm。74HC00的U4a和U4d组成计数电路脉冲发生器。其振荡频率f2≈1／[2．2xC12×(R35+W)]。当环境温度是25℃。测量距离S为1 m时，超声波往返时间T=2S／C≈5．8 ms。
    这时计数器显示应为1．00，即1 m。因此计数器在T＝5．8 ms应计数到N=100，这时要求计数电路脉冲发生器脉冲周期T2=T／N=5．8x10－2ms，即要求计数电路脉冲发生器频率应为f2=1/T2=N／T≈17．2 kHz。要使计数电路脉冲发生器的频率是17．2 kHz，当C12为2 200 pF时，R35+W=1／(2．2C12f2)≈12 kΩ。由于不同环境温度下，超声波在空气中的传播速度也不同，所需的计数电路脉冲发生器的频率也就不一样。为提高在不同环境温度下测量的精度，用精密电位器W调节计数电路脉冲发生器的频率，使测距仪显示为1．00。U1f、U4b、U4c组成RS触发器。发射超声波时，C点为高电平，超声波接收放大电路的三极管VQI导通，超声波接收放大电路无信号输入，E点输出高电平，RS触发器的U4c F点输出为低电平，此时CD40110B处于十进制加法计数状态，对脉冲发生器的输入脉冲计数。当超声波发射完毕，C点为低电平。若超声波接收放大电路未接收到返回的超声波，E点仍为高电平，则RS触发器的U4c F点输出仍保持低电平，CD40110B继续计数。一旦超声波接收放大电路接收到返回的超声波，E点变为低电平，RS触发器的U4c F点输出变为高电平，CD40110B停止计数，并锁存显示计数数值；E点恢复高电平，RS触发器的U4cF点输出仍保持高电平，CD40110B仍停止计数、锁存显示计数数值的状态。若被测物超出最大有效测量距离，或者没有被测物时，超声波接收放大电路一直未接收到返回的超声波，E点始终为高电平，计数器计数到999后，再加1计数时，U7产生进位输出，该进位输出使三位计数器复位，显示“0．00”，表示测距无效。同时，三极管VQ2瞬时饱和导通，E点电位瞬时变为低电平，F点电位变为高电平。C11和R12构成上电复位电路，接通电源或按复位键S1瞬间，三位计数器复位，显示“0．00”。同时，三极管VQ2瞬时饱和导通，E点电位瞬时变为低电平。F点电位为高电平。图4为超声波工作波形。

3 器件选型和仪器使用
    发送传感器采用MA40S2S，接收传感器采用MA40S2R，其中心频率f0=40 kHz。超声波测距仪电路有两个多谐振荡器，为减少实际振荡频率与理论设计频率的误差，且使振荡频率稳定。振荡电路采用误差等级小的金属膜电阻和温度系数小的CB型聚苯乙烯电容。设计PCB板时，填充和加大“地”线面积，避免多谐振荡器之间，以及振荡器对超声波接收放大电路产生干扰。超声波发送传感器和接收传感器平行安装，两者间保持4～8 cm的距离。根据测量范同要求不同，可调整超声波接收放大电路检波电容C9的值，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。在不同环境温度下使用时，为减少测量误差，使用前需校准测距仪。最好选择与被测物距离相近的标准距离校准。如预计被测物距离约2 m，则在室内选择离墙壁2 m的标准距离校准。每次测距时，须上电复位或按复位键S1，显示“0．00”后，才可按测距开始键S2进行测距。测量时，被测物要垂直于超声波测距仪被测物表面要平坦。

4 结束语
    数字式超声波测距仪体积小，重量轻，便于携带，操作简单，测距迅速。读数直观。实验表明，最大有效测量距离很难达到1O m以上，经过与被测物距离相近的标准距离校准后，测量误差较小，但测量量程有限。