超聲波測(cè)距儀 規(guī)劃教材

1、項(xiàng)目9：超聲波測(cè)距儀的調(diào)試與檢測(cè)9.1 項(xiàng)目描述近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小Ｒ话愕某暡y(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。由于超聲測(cè)

2、距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工

3、業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。1.項(xiàng)目的功能和性能(1) 支持距離探測(cè)；(2) 支持距離實(shí)時(shí)顯示；2.主要技術(shù)參數(shù)(1) 額定工作電壓：9V±20%。(2) 最小工作電壓：7。(3) 極限工作電壓：12。(4) 探測(cè)距離：0.35m5m。(5) 工作頻率：40KHz。9.2理論知識(shí)9.2.1 實(shí)時(shí)距離測(cè)量的種類1. 超聲波測(cè)距聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀

4、態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20Hz20000Hz。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于20KHz或小于20Hz時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。 超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散

5、射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性。超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：(1) 對(duì)雨，雪，霧穿透能力強(qiáng)，衰減小，(2) 測(cè)距原理簡(jiǎn)單，制作方便，成本低，缺點(diǎn)：(1) 超

6、聲波的傳播速度相對(duì)電磁波來說慢的多，當(dāng)汽車在高速公路上以每小時(shí)上百公里速度行駛時(shí)，超聲波測(cè)距無法跟上車距實(shí)時(shí)變化，誤差大。(2) 方向性差，發(fā)散角大。由于發(fā)散使能量大大降低，另一方面使分辨力下降，導(dǎo)致將鄰車道的車輛或路邊的物體作為測(cè)量目標(biāo)2. 雷達(dá)測(cè)距雷達(dá)概念形成于20世紀(jì)初。雷達(dá)是英文radar的音譯，為Radio Detection And Ranging的縮寫，意為無線電檢測(cè)和測(cè)距的電子設(shè)備。雷達(dá)所起的作用和眼睛和耳朵相似，它的信息載體還眼睛接收的可見光不同，而是無線電波。事實(shí)上，不論是可見光或是無線電波，在本質(zhì)上是同一種東西，都是電磁波，傳播的速度都是光速C，雷達(dá)與可見光的差別在于它們

7、各自占據(jù)的頻率和波長(zhǎng)不同。其原理是雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達(dá)天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進(jìn)行處理，提取有關(guān)該物體的某些信息(目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。測(cè)量距離實(shí)際是測(cè)量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差，因電磁波以光速傳播，據(jù)此就能換算成目標(biāo)的精確距離。圖9-1 雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)款框圖對(duì)于車載雷達(dá)，一般選用60GHz、120GHz、180GHz波段，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為毫米級(jí)，故成為毫米波雷達(dá)。雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測(cè)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時(shí)的特點(diǎn)，并有一定的穿透能力。因

8、此，它不僅成為軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(如氣象預(yù)報(bào)、資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等)和科學(xué)研究(天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等)。優(yōu)點(diǎn)：(1) 毫米波雷達(dá)采用的是波長(zhǎng)在1厘米以下，頻率30GHZ以上的高頻電磁波，波長(zhǎng)短，沿直線傳播且穿透能力強(qiáng)，幾乎不受氣象條件的影響。(2) 不但可以探測(cè)目標(biāo)的距離，還可測(cè)出相對(duì)速度和方位。缺點(diǎn)：(1) 價(jià)格昂貴，(2) 需要防止電磁波干擾由于存在其它通訊設(shè)施電磁波干擾以及雷達(dá)裝間的相互影響，容易發(fā)生誤動(dòng)作。3. 激光測(cè)距激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和

9、“奇異的激光”。它的亮度約為太陽光的100億倍。激光的原理早在1916年已被著名的美國(guó)物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年激光才被首次成功制造。它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光測(cè)距（Laser distance measuring）是以激光器作為光源，利用激光對(duì)目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定。激光測(cè)距儀在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時(shí)器測(cè)定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間，計(jì)算出從觀測(cè)者到目標(biāo)的距離。根據(jù)激光工作的方式分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。激光測(cè)距一般采用兩種方式來測(cè)量距

10、離：脈沖法和相位法。脈沖法測(cè)距的過程是這樣的：測(cè)距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測(cè)量物體的反射后又被測(cè)距儀接收，測(cè)距儀同時(shí)記錄激光往返的時(shí)間。光速和往返時(shí)間的乘積的一半，就是測(cè)距儀和被測(cè)量物體之間的距離。1961年，第一臺(tái)軍用激光測(cè)距儀通過了美國(guó)軍方論證試驗(yàn)，對(duì)此后激光測(cè)距儀很快就進(jìn)入了實(shí)用聯(lián)合體。激光測(cè)距以其重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單速度快而準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于地形測(cè)量，戰(zhàn)場(chǎng)測(cè)量，坦克，飛機(jī)，艦艇和火炮對(duì)目標(biāo)的測(cè)距。圖9-2 激光脈沖測(cè)距儀的光學(xué)原理圖優(yōu)點(diǎn)：快，準(zhǔn)，遠(yuǎn)，抗干擾，無盲區(qū)，測(cè)距精度可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)，比微波雷達(dá)高近100倍，測(cè)角精度理論上比微波雷達(dá)高一倍以上。缺點(diǎn)：遇到下雨或大霧等惡劣天氣，

11、穿透能力差，導(dǎo)致無法使用。4. 視頻圖像測(cè)距視頻圖像的動(dòng)態(tài)測(cè)距，與傳統(tǒng)的微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距、超聲波測(cè)距相比其采集信息的方式是非侵犯性的，不會(huì)像外界環(huán)境傳播信號(hào)。該測(cè)距方式采用人們最感知的視覺方式，便于視覺化，立體化，方便快捷，同時(shí)該測(cè)距方式應(yīng)用范圍廣，特別是智能交通系統(tǒng)中。21世紀(jì)的視覺測(cè)距必將成為測(cè)距技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。9.2.2 超聲波測(cè)距原理1. 超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(20000Hz)時(shí)，人們就會(huì)覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。超聲波的特性有： (1) 束射特性由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光

12、線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。(2) 吸收特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。對(duì)于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。(3) 超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個(gè)工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比

13、聲波具有強(qiáng)大得多的功率。當(dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率樣，分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的，所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。(4) 超聲波的聲壓特性 當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時(shí)，由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓

14、作用。 2. 測(cè)距原理最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。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)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離

15、。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖9-3所示：圖9-3 超聲波的測(cè)距原理H=Scosq （9-1）q=arctg(式中：L-兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為： L)H （9-2）2S=vt (9-3)式中：v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。將（9-2）、（9-3）代入（9-1）中得：1LH=vtcosarctg2H (9-4)其中，超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí)，V=349m/s)；當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí)，則(9-4)變?yōu)椋?H=vt2 (9-5)所以，只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t，就可以得出測(cè)量的

16、距離H。9.2.3 元器件介紹1. 驅(qū)動(dòng)芯片反相器74HC04由集成電路芯片產(chǎn)生的40kHz的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是一個(gè)信號(hào)放大電路，本系統(tǒng)所選用的是74HC04集成芯片。74HC04內(nèi)部集成了六個(gè)反相器，同時(shí)具有放大功能。74HC04的管腳如圖9-4所示。圖9-4 74HC04管腳圖2. 放大器LM324LM741是一單運(yùn)放集成芯片，圖9-5為L(zhǎng)M741管腳圖。圖9-5 LM741管腳圖3. 顯示器本系統(tǒng)為簡(jiǎn)單起見，采用的是最為常用的LED數(shù)碼管顯示。LED(Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽

17、兩種。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。圖9-6示出了八段LED數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。圖9-6(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖9-6(b)是它的原理圖，圖9-6(c)為八段共陽LED顯示管原理圖。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號(hào)是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別與同名管腳相連。七段LED顯示管比八段LED少一只發(fā)光二極管SP，其他與八段相同。圖9-6 八段LED數(shù)碼顯示管原理和結(jié)構(gòu)對(duì)LED數(shù)碼管的顯示可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是各LED管能穩(wěn)定地同時(shí)顯示各自字形；動(dòng)態(tài)顯示是指各LED輪流地一遍一遍顯示各自字符，人們由于視覺器官惰性，從而看到的是各LED似乎在同

18、時(shí)顯示不同字形。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本，很多采用LED數(shù)碼管顯示的系統(tǒng)通常采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。4. 超聲波發(fā)射接收頭(a) (b)圖9-7 超聲波發(fā)射、接收頭(a)實(shí)物圖 (b)結(jié)構(gòu)圖超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的。 超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)：(1) 工作頻率：壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。(2) 工作溫度：由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比

19、較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。(3) 靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高;反之，靈敏度低。9.3 項(xiàng)目原理9.3.1 項(xiàng)目框圖項(xiàng)目的系統(tǒng)框圖如圖9-8所示。信號(hào)發(fā)射電路圖9-8 系統(tǒng)框圖各部分的原理及功能如下： 信號(hào)源電路：由555組成超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器。 載波發(fā)生器電路：由555組成超聲波載波信號(hào)發(fā)生器，以提高抗干擾能力。 驅(qū)動(dòng)電路：將載波信號(hào)放大到足以驅(qū)動(dòng)超聲波探頭，使探頭發(fā)射足夠高強(qiáng)度的超聲波。 放大電路：反射回來的超聲波信號(hào)經(jīng)超聲波接受探頭接收后，送入放大電路，完成信號(hào)放大，一般放大倍數(shù)為1000倍。 信號(hào)比較

20、電路：比較和測(cè)量從發(fā)出的檢測(cè)脈沖和該脈沖被反射回來的時(shí)間差。 測(cè)量計(jì)數(shù)電路：完成單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算。 顯示電路：用來讀出計(jì)數(shù)值，并以十進(jìn)制數(shù)的形式由數(shù)碼管顯示出來。9.3.2功能電路圖由單片機(jī)AT89C51編程或是555定時(shí)芯片產(chǎn)生40kHz的方波輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理，送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出來。不采用單片機(jī)計(jì)算也可以采用硬件電路搭建，通過計(jì)算脈沖數(shù)得到距離值。該測(cè)距

21、裝置是由超聲波傳感器、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連，接收電路輸出端與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖9-9所示。圖9-9 超聲波發(fā)射接收時(shí)序圖系統(tǒng)在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。1. 發(fā)射電路信號(hào)源由兩塊555集成電路組成，電路如圖9-10。圖9-10 信號(hào)源電路(1) 脈沖信號(hào)發(fā)生器IC1（555）組成超聲波脈沖信號(hào)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

22、差，會(huì)有一些差別。條件:R1=9.1M、R2=150K、C1=0.01FTL=0.69×R2×C=0.69×150×103×0.01×10-6=1ms (9-6)TH=0.69×(R1+R2)×C1=0.69×9250×103×0.01×10-6=64ms (9-7)(2) 載波信號(hào)發(fā)生器IC2組成超聲波載波信號(hào)發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號(hào)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:R3=1.5K、R4=15K、C2=1000pFTL

23、=0.69×R4×C=0.69×15×103×1000×10-12=10s (9-8)TH=0.69×(R3+R4)×C=0.69×16.5×103×1000×10-12=11s (9-9)f=1/(TL+TH)=1/(10.35+11.39)×10-6)=46.0KHz (9-10)由于信號(hào)源輸出的信號(hào)較小，難以驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器工作使其達(dá)到較遠(yuǎn)的探測(cè)距離，因此需要對(duì)其進(jìn)行放大，本項(xiàng)目采用的是CD4069反相器進(jìn)行放大（采用74HC04亦可）組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路

24、,如圖9-11。圖9-11 超聲波發(fā)射電路2. 接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)比較弱，需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了LM741(IC4)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，接收電路如圖9-12所示。超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號(hào)的檢測(cè)和放大。反射回來的超聲波信號(hào)經(jīng)IC4的2級(jí)放大1000倍(60dB)，第1級(jí)放大100倍(40dB)，第2級(jí)放大10倍(20dB)。由于一般的運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對(duì)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(hào)的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生

25、信號(hào)失真。圖9-12 接收信號(hào)放大電路3. 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)(1) 倍壓檢波C9、D1、D2、C10組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測(cè)脈沖信號(hào)送至IC5進(jìn)行處理。圖9-13 信號(hào)處理電路IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號(hào)比較、測(cè)量、計(jì)數(shù)和顯示電路，即比較和測(cè)量從發(fā)出的檢測(cè)脈沖和該脈沖被反射回來的時(shí)間差。它是超聲波測(cè)距電路的核心，下面分析其工作原理。(2) 信號(hào)比較由Ra、Rb、IC5組成信號(hào)比較器。其中Vrf=(Rb×Vcc)/(Ra+Rb)=(47K×9V)/(1M+47K)=0.4V所以當(dāng)A點(diǎn)（IC5的反相端）過來的脈沖信號(hào)電壓高于0.4V時(shí)，B點(diǎn)電壓將由

26、高電平"1"到低電平"0"，如圖9-14所示。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(cè)而設(shè)置的。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，在測(cè)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(cè)。為避免這種情況發(fā)生，這里用D3直接引入檢測(cè)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(cè)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(cè)脈沖自身的干擾而形成的誤檢測(cè)。由以上可知，當(dāng)測(cè)量距離小到一定程度時(shí)，由于D3及C11的防誤檢測(cè)作用，其近距

27、離測(cè)量會(huì)受到影響。圖示參數(shù)的最小測(cè)量距離在40cm左右。適當(dāng)減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20°C時(shí)可做到30cm測(cè)量最短距離。圖9-14 比較器電壓波形IC6組成R-S觸發(fā)器構(gòu)成時(shí)間測(cè)量電路?？梢钥闯?，在發(fā)出檢測(cè)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(cè)脈沖時(shí)，C端由高變低，此時(shí)D端變?yōu)榈碗娖?，故輸出端D的高電平時(shí)間即為測(cè)試脈沖往返時(shí)間。圖9-15 時(shí)間測(cè)量電路計(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。(3) 計(jì)數(shù)時(shí)鐘源圖9-16 計(jì)數(shù)時(shí)鐘源其工作頻率f = 1/(2.2×C×R)。電路頻率設(shè)

28、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。有關(guān)計(jì)算如下：測(cè)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f100/(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) = 12K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(cè)量的需要，我們要求電阻R具有一定的調(diào)

29、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(cè)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。(3) 計(jì)數(shù)控制圖9-17 計(jì)數(shù)控制

30、電路這里簡(jiǎn)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(cè)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(hào)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(hào)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。4. 顯示電路圖9-18 顯示電路4511與LED1LED3、TR1TR3組成顯示電路，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。9.3.3 項(xiàng)目PCB項(xiàng)目PCB圖如圖9-

31、19所示。圖9-19 PCB圖9.3.4 元件清單表9-2 超聲波測(cè)距儀元件清單9.4 項(xiàng)目調(diào)試 9.4.1單板調(diào)試1. 板調(diào)工藝流程圖9-20 板調(diào)流程2. 通電前檢查(1)目測(cè)：焊裝好的電路板主板應(yīng)清潔、無錫渣，無明顯的錯(cuò)焊、漏焊、虛焊和短路。比如：電解電容、二極管是否焊反。參數(shù)是否按清單提供的標(biāo)號(hào)位置焊接，芯片方向是否正確，保險(xiǎn)管是否裝入等。(2)電路板電阻測(cè)試指標(biāo)表9-3 電路板電阻測(cè)試指標(biāo)值電阻測(cè)試方法用數(shù)字萬用表的200k檔測(cè)試表9-2和表9-3中測(cè)試點(diǎn)1對(duì)測(cè)試點(diǎn)2間的電阻值。 3. 電源調(diào)試與檢測(cè)設(shè)備：萬用表或示波器。表9-4 電源電路電壓指標(biāo) 測(cè)試方法：測(cè)試1、2項(xiàng)將萬用表置于

32、DC20V檔，測(cè)試上表中的直流電壓，測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足指標(biāo)要求。測(cè)試時(shí)，萬用表的黑表筆接上表中的“測(cè)試點(diǎn)2”、紅表筆接上表中的“測(cè)試點(diǎn)1”。 4. 顯示模塊調(diào)試(1) 顯示譯碼檢測(cè)共陰數(shù)碼管可采用萬用表單獨(dú)檢測(cè)好壞：將萬用表黑表筆接數(shù)碼管接地腳，紅表筆接七段數(shù)碼對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)腳，檢測(cè)是否點(diǎn)亮。數(shù)碼管檢測(cè)完畢后，將數(shù)碼管和4511裝好，然后將4511數(shù)據(jù)端分別接高低電平，觀察數(shù)碼管顯示變化。(2) 計(jì)數(shù)檢測(cè)計(jì)數(shù)芯片外接信號(hào)發(fā)生器，將信號(hào)發(fā)生器設(shè)置為2Hz，5V方波輸出，觀察對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出端變化.5. 超聲波發(fā)射電路調(diào)試把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

33、高頻載波信號(hào)，頻率約為40KHz，用示波器觀測(cè)超聲波發(fā)射頭，檢測(cè)輸出幅度、頻率。6. 接收模塊調(diào)試(1) 接收信號(hào)調(diào)整在發(fā)射電路調(diào)試完成后，此時(shí)可用示波器監(jiān)測(cè)IC4的1腳信號(hào)。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(cè)到，同時(shí)用示波器檢測(cè)IC4的1腳信號(hào)，慢慢調(diào)節(jié)VR1，使IC4的1腳輸出信號(hào)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(hào)，應(yīng)能看到超聲波脈沖串。(2) 誤檢測(cè)電路調(diào)整通常該部分電路不需要調(diào)整，但如果發(fā)現(xiàn)測(cè)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(cè)脈沖干擾。這時(shí)我們需檢查或稍許增多C11的容量，說明第

34、1條線測(cè)得于IC6的第1腳，第2條線測(cè)得于IC5的3腳，第3條線測(cè)得于IC4的1腳，第4條線測(cè)得于IC6的10腳。(3) 計(jì)數(shù)電路脈沖頻率調(diào)節(jié)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100，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(cè)距儀。7. 超聲波模塊調(diào)試注意事項(xiàng)根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。測(cè)距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面： 超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角a的影響； 超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)； 超聲波傳播速度對(duì)

35、測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。 由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2a，當(dāng)a很小的時(shí)候，可直接按式S=CVt2進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為：S=cosa´cDt (9-11) 2實(shí)際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測(cè)量夾角為45°。(1)

36、 關(guān)于最大檢測(cè)距離存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。長(zhǎng)距離測(cè)量由于各種因素的影響會(huì)困難一些。有幾點(diǎn)測(cè)量時(shí)我們必須注意 被測(cè)目標(biāo)必須垂直于超聲波測(cè)距儀。 被測(cè)目標(biāo)表面必須平坦。 測(cè)量時(shí)在超聲波測(cè)距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。(2) 關(guān)于短距離的測(cè)量接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。如果在本項(xiàng)目調(diào)試中，當(dāng)我們將測(cè)距儀逐漸靠近被測(cè)物體，最終讀數(shù)顯示應(yīng)在34cm左右。因?yàn)檫@個(gè)電路C11

37、取值為0.1uF，由于防誤檢測(cè)電路的保護(hù)作用，所以最小測(cè)試距離限制為34cm左右，如要進(jìn)一步縮短測(cè)試距離，由前面分析可知，我們必須讓發(fā)出的測(cè)試脈沖寬度更窄，同時(shí)減小防誤檢測(cè)電路C11的容量。但由于超聲波發(fā)射器的輸出功率有限，如果縮短測(cè)試脈沖時(shí)間，意味著減小了測(cè)試脈沖的輸出功率，在測(cè)試距離增加時(shí)，會(huì)使反射回來的信號(hào)很弱，造成儀器在長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)受到影響。9.4.2整機(jī)裝配1裝配流程圖圖9-21 整機(jī)裝配流程圖2材料準(zhǔn)備裝配前準(zhǔn)備好下列部件：調(diào)試成功的電路板、安裝外殼、接插件等材料。3安裝控制板用螺絲釘把電路板固定到機(jī)箱的底部。4裝插頭用導(dǎo)線把控制板上的電源線接到面板上已固定好的插頭上，同樣接傳感器

38、的引出線。5裝表蓋把測(cè)距儀的外殼裝好。6材料準(zhǔn)備在接頭處貼上標(biāo)簽，表明接頭的名稱。9.4.3 整機(jī)調(diào)試圖9-22 整機(jī)調(diào)試流程圖1. 電源調(diào)試將外殼整機(jī)裝配好后，打開電池開關(guān)，外殼對(duì)應(yīng)電源指示燈應(yīng)亮起。2. 測(cè)距調(diào)試將超聲波探頭對(duì)準(zhǔn)一塊平整的障礙物，觀察是否出現(xiàn)距離顯示，移動(dòng)測(cè)距儀位置，觀察顯示距離是否發(fā)生變化。3. 行進(jìn)調(diào)試取一塊直尺，將障礙物沿直尺移動(dòng)，觀察測(cè)距儀顯示距離變化。檢測(cè)其最小測(cè)量距離、最大測(cè)量距離、精度等指標(biāo)。9.4.4 整機(jī)檢測(cè)1. 測(cè)量精度采用標(biāo)準(zhǔn)直尺，沿直尺移動(dòng)障礙物，觀察顯示距離最小變化值。2. 測(cè)量范圍采用標(biāo)準(zhǔn)直尺，沿直尺移動(dòng)障礙物，觀察顯示距離最小值和最大值。3.

39、測(cè)量準(zhǔn)確度采用標(biāo)準(zhǔn)直尺，沿直尺移動(dòng)障礙物，觀察顯示變化，測(cè)量實(shí)際距離S與顯示距離SD之差S，并計(jì)算準(zhǔn)確度S/S。4. 響應(yīng)時(shí)間用秒表記錄從移動(dòng)障礙物后，至顯示出正確距離值所需時(shí)間。5. 工作功率外接12V直流電壓，串接電流表，測(cè)得工作電流I，計(jì)算得到工作功率P=UI。9.5附 基于超聲波測(cè)距的自動(dòng)跟車智能車設(shè)計(jì)9.5.1 系統(tǒng)框圖小車框圖各部分的原理及功能如下： 測(cè)距傳感器：由發(fā)射頭、接收頭及其附屬電路構(gòu)成，檢測(cè)前方障礙物距離。 單片機(jī)處理器1：由單片機(jī)發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)出超聲波，再由接收頭接收脈沖，單片機(jī)利用定時(shí)器檢測(cè)來回時(shí)間。 LED顯示：?jiǎn)纹瑱C(jī)根據(jù)超聲波往返時(shí)間計(jì)算距離，并由LED數(shù)碼管顯示。 單片機(jī)處理器2：由單片機(jī)發(fā)出PWM波，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而控制小車加速、減速。 行進(jìn)電機(jī)電路：將PWM波信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊放大到足夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 電源電路：供電模塊。9.5.1 距離的檢測(cè)由于測(cè)距跟車小車的測(cè)距原理與測(cè)距儀完全相同，只是將信號(hào)發(fā)生與處理交由單片機(jī)負(fù)責(zé)，所以此處不再重復(fù)。9.5.2 速度的檢測(cè)1.采用霍爾傳感器要使用這種方法需要在車輪上嵌入若干的永磁鐵，這樣采用霍爾傳感器進(jìn)行檢測(cè)。其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快且不會(huì)受光、溫度、濕度等因素的影響，但是在車輪狹窄的空間上嵌入永磁鐵是相當(dāng)困