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原理圖如下：
一、電路原理
1 超聲波發射電路
由兩(liang) 塊555集成電路組成。IC1（555）組成超聲波脈衝(chong) 信號發生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由於(yu) 元器件等誤差，會(hui) 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生器。由IC1輸出的脈衝(chong) 信號控製，輸出1ms頻率40kHz，占空比50％的脈衝(chong) ，停止64ms。計算公式如下：
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）組成超聲波發射頭驅動電路。
2 超聲波接收電路
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）。 由於(yu) 一般的運算放大器需要正、負對稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9V）供電，為(wei) 保證其可靠工作，這裏用R10和R11進行分壓，這時在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質量，不至於(yu) 產(chan) 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衝(chong) 信號送至IC5進行處理。
IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號比較、測量、計數和顯示電路，即比較和測量從(cong) 發出的檢測脈衝(chong) 和該脈衝(chong) 被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下麵分析其工作原理。
由Ra、Rb、IC5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A點（IC5的反相端）過來的脈衝(chong) 信號電壓高於(yu) 0.4V時，B點電壓將由高電平"1"到低電平"0"。同時注意到在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置的。在實際測量時，在測距儀(yi) 的周圍會(hui) 有部分發出的超聲波直接進入接收頭而形成誤檢測。為(wei) 避免這種情況發生，這裏用D3直接引入檢測脈衝(chong) 來適當提高IC5比較器的門限轉換電壓，並且這個(ge) 電壓由C11保持一段時間，這樣在超聲波發射器發出檢測脈衝(chong) 時，由於(yu) D3的作用使IC5的門限轉換電壓也隨之被提高，並且由於(yu) C11的放電保持作用，可防止這時由於(yu) 檢測脈衝(chong) 自身的幹擾而形成的誤檢測。由以上可知，當測量距離小到一定程度時，由於(yu) D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會(hui) 受到影響。圖示參數的最小測量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環境溫度為(wei) 20 時可做到30cm測量最短距離。此時其放電時間為(wei) 1.75ms。
IC6組成R-S觸發器構成時間測量電路。可以看出，在發出檢測脈衝(chong) 時（A端為(wei) 高電平），D端輸出高電平，當收到反射回來的檢測脈衝(chong) 時，C端由高變低，此時D端變為(wei) 低電平，故輸出端D的高電平時間即為(wei) 測試脈衝(chong) 往返時間。
計數和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計數電路脈衝(chong) 發生器，原理圖如下。
其工作頻率f = 1/(2.2 x C x R)。電路頻率設計在17.2kHz左右。這個(ge) 頻率是根據聲波在環境溫度為(wei) 20℃ 時的傳(chuan) 播速度為(wei) 343.5m/s確定的。我們(men) 知道在不同的環境溫度下，聲波的傳(chuan) 播速度會(hui) 有所改變，其關(guan) 係為(wei) v＝331.5+0.6×t,其中v的單位為(wei) m/s,t為(wei) 環境溫度，單位為(wei) ℃。
| Temperature (℃) | Speed of sound (m/sec) |
|---|---|
| -10 | 325.5 |
| 0 | 331.5 |
| 10 | 337.5 |
| 20 | 343.5 |
| 30 | 349.5 |
| 40 | 355.5 |
| 50 | 361.5 |
有關(guan) 計算如下：
測量距離為(wei) 1m的物體(ti) 時，聲波的往返時間為(wei) ：2m/343.5(m/s)=5.82ms。這時計數器顯示應為(wei) 100，即1m，此時計數電路脈衝(chong) 發生器的頻率f＝100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。如電容C(即C14)為(wei) 2200pF，此時電阻
R = 1/(2.2 x C x f)
= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103) = 12KΩ
由於(yu) 在不同的環境溫度下，聲波的傳(chuan) 播速度會(hui) 不同，為(wei) 適應不同環境溫度下測量的需要，我們(men) 要求電阻R具有一定的調節範圍，這裏用VR2,VR3進行調節，其中VR2為(wei) 粗調電阻，VR3為(wei) 精調電阻。同樣我們(men) 可以算出在不同溫度下的計數脈衝(chong) 頻率值，如：溫度為(wei) 46.5℃ 時，
f = 1/(2.2 x C x R)
= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103) ＝17.97KHz
環境溫度為(wei) 1.5 ℃時f = 1/(2.2 x C x R) )
= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz
實際上，在不同環境溫度下時，我們(men) 隻要測試標準距離1m，調節計數電路脈衝(chong) 發生器的頻率（VR2和VR3），使其顯示為(wei) 100即可。
這裏簡單介紹一下計數器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現測試脈衝(chong) 往返的時間，當A點電位由低變高時，由於(yu) C1電壓不能突變，故B點會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 複位脈衝(chong) 信號使計數器清零，同時IC6內(nei) 與(yu) 非門被打開，IC8開始通過CLOCK腳計數；同樣當A點電位由高變低時，由於(yu) C2電壓不能突變，故C點會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 鎖存脈衝(chong) 信號使計數器數據被鎖存，同時IC6的有關(guan) 與(yu) 非門被關(guan) 閉，IC8開始停止計數，完成計數過程。
C15用於(yu) 控製顯示部分的刷新頻率，當C15為(wei) 1000pF時，刷新頻率為(wei) 1100Hz，由IC9、LED1-LED3、TR1－TR3組成顯示電路。
二、元件選擇
這裏采用的超聲波發射頭為(wei) T40-16,接收頭為(wei) R40-16.參數和外形如下：
| Item | Specifications | |
|---|---|---|
| Center frequency (KHz) | 40 | |
| Overpressure value (dB) | 115 < | |
| Sensitivity (dB) | -64 < | |
| Major diameter size (mm) |
Diameter | 16.2 |
| Height | 12.2 | |
| [rito] ゙ interval | 10.0 | |
三、印刷電路板
四、調試
1 調整發射接收電路
把IC1從(cong) 插座上拔下，並短接IC1插座的1和3腳，這時IC2的4腳應為(wei) 高電平，並會(hui) 持續發出高頻載波信號，頻率約為(wei) 40KHz，此時可用示波器監測IC4的1腳信號。讓超聲波探頭朝向一麵牆，使發出的超聲波返回而被接受器檢測到，同時用示波器檢測IC4的1腳信號，慢慢調節VR1，使IC4的1腳輸出信號最大。 斷開IC1插座的1和3腳短接線並插上IC1，此時再用示波器監視IC4的1腳信號，應能看到超聲波脈衝(chong) 串。
2 調整誤檢測電路
通常該部分電路不需要調整，但如果發現測量幾米外的物體(ti) ，電路始終顯示為(wei) 0.40，這表明該儀(yi) 器受到自身發出的檢測脈衝(chong) 幹擾。這時我們(men) 需檢查或稍許增多C11的容量，說明第1條線測得於(yu) IC6的第1腳，第2條線測得於(yu) IC5的3腳，第3條線測得於(yu) IC4的1腳，第4條線測得於(yu) IC6的10腳。
3 調節計數電路脈衝(chong) 頻率
讓電路板垂直於(yu) 牆麵1m處，調節VR3在中間位置，再調節VR2使顯示1.00，但在環境溫度改變時，一般需再次調節VR2，校準測距儀(yi) 。
4 關(guan) 於(yu) 短距離的測量
當我們(men) 將測距儀(yi) 逐漸靠近被測物體(ti) ，最終讀數顯示在34cm左右。因為(wei) 這個(ge) 電路C11取值為(wei) 0.1uF，由於(yu) 防誤檢測電路的保護作用，所以最小測試距離限製為(wei) 34cm左右，如要進一步縮短測試距離，由前麵分析可知，我們(men) 必須讓發出的測試脈衝(chong) 寬度更窄，同時減小防誤檢測電路C11的容量。但由於(yu) 超聲波發射器的輸出功率有限，如果縮短測試脈衝(chong) 時間，意味著減小了測試脈衝(chong) 的輸出功率，在測試距離增加時，會(hui) 使反射回來的信號很弱，造成儀(yi) 器在長距離測量時受到影響。
5 關(guan) 於(yu) 長距離測量
長距離測量由於(yu) 各種因素的影響會(hui) 困難一些。有幾點測量時我們(men) 必須注意：
1）被測目標必須垂直於(yu) 超聲波測距儀(yi) 。
2）被測目標表麵必須平坦。
3）測量時在超聲波測距儀(yi) 周圍沒有其他可反射超聲波的物體(ti) 。
由於(yu) 發射功率有限，測距儀(yi) 無法測量10m外的物體(ti) 。
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