超聲波測距儀的設(shè)計與調(diào)試-發(fā)射部分

本系統(tǒng)中超聲波測距基本原理

由于超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀、物位測量儀等。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。在本系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用的是反射式檢測方式。即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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后就立即停止計時。超聲波在空氣中傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s。即：s=340·t/2，這就是所謂的時間差測距法。

超聲波測距儀的總體設(shè)計方案超聲波發(fā)射頭超聲波接收頭振蕩電路驅(qū)動電路波形變換放大電路控制處理單元顯示電源部分發(fā)射電路接收電路控制部分電源部分超聲波測距儀的總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、接收電路、控制部分及電源四部分組成。控制信號由555定時器構(gòu)成的低頻振蕩器來實現(xiàn)。發(fā)射電路由555定時器構(gòu)成的高頻振蕩器產(chǎn)生40kHz方波，經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號，同時開始計時。接收端將收到的微弱回波信號檢出，送信號放大電路放大，經(jīng)輸出比較產(chǎn)生脈沖輸出，系統(tǒng)收到中斷信號后停止計時，計算出時間并換算為距離值顯示，本系統(tǒng)可以滿足多領(lǐng)域的應(yīng)用。本系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。后續(xù)課程針對這兩部分分別進行重點論述。超聲波發(fā)射電路基本原理

超聲波發(fā)射電路主要由振蕩電路、驅(qū)動電路和超聲波發(fā)射頭組成。振蕩電路產(chǎn)生超聲波傳感器工作需要的40kHz頻率信號。由于超聲波振子也有約2000PF的電容，有充放電電流流通，因此，采用驅(qū)動電路增大驅(qū)動電流，有效驅(qū)動超聲波振子發(fā)送超聲波。使用方波進行驅(qū)動時，由于振子的諧振作用，也變?yōu)檎也ㄟM行發(fā)送。本系統(tǒng)的振蕩電路利用555產(chǎn)生占空比可調(diào)的40kHz方波信號。超聲波發(fā)射頭振蕩電路驅(qū)動電路振蕩電路部分驅(qū)動電路部分控制電路部分基于555的超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路——基于555的振蕩器

本電路中采用555定時器構(gòu)成振蕩電路，2腳（6腳）及地之間的電容不斷的進行充、放電，導(dǎo)致555時基電路處于置位與復(fù)位反復(fù)交替的狀態(tài)，即輸出端3腳交替輸出高電平與低電平，輸出波形為近似矩形波，此電路也稱為自激多諧振蕩器。555多諧振蕩電路工作原理555多諧振蕩器的基本電路如圖所示。電路初次通電時，由于電容C兩端電壓不能突變，555的2腳為低電平，555時基電路置位，即3腳輸出高電平，內(nèi)部放電晶體管截止，7腳被懸空，此時正電源VDD通過電阻R1、R2向電容C充電，使C兩端電壓不斷升高，約經(jīng)時間tH，C兩端電壓即閾值端（6腳）電平升至2VDD/3時，555時基電路翻轉(zhuǎn)復(fù)位，3腳輸出低電平，同時內(nèi)部放電晶體管導(dǎo)通，7腳也為低電平，此時電容C儲存電荷將通過R2向7腳放電，使C兩端電壓即555的觸發(fā)端2腳電平不斷下降，約經(jīng)tL時間，電壓降至VDD/3時，555時基電路又翻轉(zhuǎn)置位，3腳又輸出高電平，7腳再次被懸空，正電源又通過R1,R2向C充電，如此周而復(fù)始，電容C不斷處于充電與放電狀態(tài)，電路引起振蕩，3腳將交替輸出高電平和低電平。

555多諧振蕩電路的脈沖寬度TL由電容C的放電時間來決定：

TL≈0.7R2CTH由電容C的充電時間來決定：

TH≈0.7（R1+R2）C輸出振蕩信號的周期為：

T=TL+TH頻率為：輸出脈沖占空比為：占空比：正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。若調(diào)整可調(diào)電阻VR1，可改變輸出矩形波的頻率和占空比。當調(diào)整VR1使得輸出為40kHz時，由于（VR1+R4）>>R3，輸出波形占空比約為50%，為近似理想對稱方波。555的強制復(fù)位端4腳由另一個555低頻振蕩器的輸出取反后控制。超聲波發(fā)射電路——基于CD4069的驅(qū)動器

本電路采用CMOS六反相器CD4069構(gòu)成驅(qū)動電路，為了增大驅(qū)動電流，可以采用CD4069中兩個甚至三個方向器并聯(lián)的方式實現(xiàn)。CD4069為什么兩個反相器并聯(lián)就可以提高驅(qū)動能力？答案：此電路結(jié)構(gòu)稱為橋式驅(qū)動方式，由于超聲波傳感器具有高阻特性，其正常工作時需要一定的驅(qū)動電流，而每個反相器的輸出電流（負載能力）是一定的。兩個并聯(lián)，輸出電流加倍，驅(qū)動能力當然提高啦！

實訓(xùn)6：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試實訓(xùn)目的：理解555振蕩電路的工作原理和調(diào)試技巧。理解CD4069驅(qū)動電路的工作原理。實訓(xùn)條件：超聲波發(fā)射頭及配套元件一套、超聲波接收頭，直流穩(wěn)壓電源一臺，示波器一臺。

實訓(xùn)6：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試實訓(xùn)方法：一、設(shè)置實驗環(huán)境：步驟1：要求學生按照發(fā)射電路的電路圖將配套元件焊接到板上，并連好線。步驟2：加9v電壓，用示波器觀察第一個555振蕩器（低頻）的輸出電壓信號和電容電壓信號，進一步認識555振蕩器的工作原理，同時測量輸出信號的頻率以及高低電平的脈寬，計算占空比；對于第二個555振蕩器，調(diào)節(jié)VR1得到頻率38K～42K的矩形波信號（此時不使用低頻振蕩器的控制信號，而直接將第二個555的4腳接高電平）。步驟3：連接超聲波傳感器發(fā)射頭到發(fā)射電路，將示波器的接地端子和信號端子分別連接超聲波傳感器接收頭的兩個輸出引腳。步驟4：固定發(fā)射頭與接收頭的間距為10cm，并將發(fā)射頭對準接收頭，準備測試接收頭接收超聲波后產(chǎn)生的同頻信號電壓。實訓(xùn)6：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試直流穩(wěn)壓電源示波器發(fā)射頭接收頭TR振蕩電路驅(qū)動電路+9VGND超聲波發(fā)射電路探頭

實訓(xùn)6：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試二、測試本實訓(xùn)系統(tǒng)的幅頻特性：步驟1：通過調(diào)節(jié)VR1，使得555的3腳輸出矩形波信號頻率在38K～42K范圍內(nèi)變化，從而實現(xiàn)產(chǎn)生不同頻率信號（不同占空比）來驅(qū)動發(fā)射頭。用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下的值。請按照如下表格設(shè)置的頻率數(shù)據(jù)要求進行測試。注意：要求測試每對數(shù)據(jù)時，一定要首先用示波器準確調(diào)試輸出的準確的頻率信號后，再驅(qū)動發(fā)射頭，測試接收頭產(chǎn)生的同頻信號電壓。實訓(xùn)作業(yè)1：分析記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出V~f關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性結(jié)論。實訓(xùn)6：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試f(kHz)38K38.5K39K39.5K40K40.5K41K41.5K42K(V)表1：測試本實訓(xùn)系統(tǒng)的幅頻特性Control