单片机的超声波测距仪

单片机的超声波测距仪单片机的超声波测距仪 发布时间 2009 6 29 阅读次数 1179 字体大小 小 中 大 来源 东哥单片机学习网 作者 佚名 参考链接 单片机的超声波测距仪 本超声波测距仪通过测量超声波发射到反射回来的时间差来测量与被测物体的距离 可以测量 0 35 10m 的距离 实物图如下 一 电路原理 1 超声波发射电路 由两块 555 集成电路组成 IC1 555 组成超声波脉冲信号发生器 工作周期计算公式如下 实际电路 中由于元器件等误差 会有一些差别 条件 RA 9 1M RB 150K C 0 01 F 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 组成超声波载波信号发生器 由 IC1 输出的脉冲信号控制 输出 1ms 频率 40kHz 占空比 50 的脉 冲 停止 64ms 计算公式如下 条件 RA 1 5K RB 15K C 1000pF TL 0 69 x RB x C 0 69 x 15 x 103 x 1000 x 10 12 10 sec TH 0 69 x RA RB x C 0 69 x 16 5 x 103 x 1000 x 10 12 11 sec f 1 TL TH 1 10 35 11 39 x 10 6 46 0 KHz IC3 CD4069 组成超声波发射头驱动电路 2 超声波接收电路 超声波接收头和 IC4 组成超声波信号的检测和放大 反射回来的超声波信号经 IC4 的 2 级放大 1000 倍 60dB 第 1 级放大 100 倍 40dB 第 2 级放大 10 倍 20dB 由于一般的运算放大器需要正 负对称电源 而该装置电源用的是单电源 9V 供电 为保证其可靠工作 这里用 R10 和 R11 进行分压 这 时在 IC4 的同相端有 4 5V 的中点电压 这样可以保证放大的交流信号的质量 不至于产生信号失真 C9 D1 D2 C10 组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至 IC5 进行处理 IC5 IC6 IC7 IC8 IC9 组成信号比较 测量 计数和显示电路 即比较和测量从发出的检测脉冲和该 脉冲被反射回来的时间差 它是超声波测距电路的核心 下面分析其工作原理 由 Ra Rb IC5 组成信号比较器 其中 Vrf Rb x Vcc Ra Rb 47K x 9V 1M 47K 0 4V 所以当 A 点 IC5 的反相端 过来的脉冲信号电压高于 0 4V 时 B 点电压将由高电平 1 到低电平 0 同 时注意到在 IC5 的同相端接有电容 C11 和二极管 D3 这是用来防止误检测而设置的 在实际测量时 在测距 仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测 为避免这种情况发生 这里用 D3 直接引入检 测脉冲来适当提高 IC5 比较器的门限转换电压 并且这个电压由 C11 保持一段时间 这样在超声波发射器发出 检测脉冲时 由于 D3 的作用使 IC5 的门限转换电压也随之被提高 并且由于 C11 的放电保持作用 可防止这 时由于检测脉冲自身的干扰而形成的误检测 由以上可知 当测量距离小到一定程度时 由于 D3 及 C11 的防 误检测作用 其近距离测量会受到影响 图示参数的最小测量距离在 40cm 左右 减小 C11 的容量 在环境温 度为 20 时可做到 30cm 测量最短距离 此时其放电时间为 1 75ms IC6 组成 R S 触发器构成时间测量电路 可以看出 在发出检测脉冲时 A 端为高电平 D 端输出高电平 当收到反射回来的检测脉冲时 C 端由高变低 此时 D 端变为低电平 故输出端 D 的高电平时间即为测试脉冲 往返时间 计数和显示电路由 IC6 IC7 IC8 IC9 组成 IC7 组成计数电路脉冲发生器 原理图如下 其工作频率 f 1 2 2 x C x R 电路频率设计在 17 2kHz 左右 这个频率是根据声波在环境温度为 20 时的传播速度为 343 5m s 确定的 我们知道在不同的环境温度下 声波的传播速度会有所改变 其关 系为 v 331 5 0 6 t 其中 v 的单位为 m s t 为环境温度 单位为 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 有关计算如下 测量距离为 1m 的物体时 声波的往返时间为 2m 343 5 m s 5 82ms 这时计数器显示应为 100 即 1m 此时计数电路脉冲发生器的频率 f 100 5 82 10 3 17 18 kHz 如电容 C 即 C14 为 2200pF 此时电 阻 R 1 2 2 x C x f 1 2 2 x 2200 x 10 12 x 17 18 x 103 12K 由于在不同的环境温度下 声波的传播速度会不同 为适应不同环境温度下测量的需要 我们要求电阻 R 具有 一定的调节范围 这里用 VR2 VR3 进行调节 其中 VR2 为粗调电阻 VR3 为精调电阻 同样我们可以算出在不同 温度下的计数脉冲频率值 如 温度为 46 5 时 f 1 2 2 x C x R 1 2 2 x 2200 x 10 12 x 11 5 x 103 17 97KHz 环境温度为 1 5 时 f 1 2 2 x C x R 1 2 2 x 2200 x 10 12 x 12 5 x 103 16 53KHz 实际上 在不同环境温度下时 我们只要测试标准距离 1m 调节计数电路脉冲发生器的频率 VR2 和 VR3 使其显示为 100 即可 这里简单介绍一下计数器的清零及数据锁存过程 A 点波形即表现测试脉冲往返的时间 当 A 点电位由低变 高时 由于 C1 电压不能突变 故 B 点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零 同时 IC6 内与非门被打开 IC8 开始通过 CLOCK 脚计数 同样当 A 点电位由高变低时 由于 C2 电压不能突变 故 C 点会产生一个锁存 脉冲信号使计数器数据被锁存 同时 IC6 的有关与非门被关闭 IC8 开始停止计数 完成计数过程 C15 用于控制显示部分的刷新频率 当 C15 为 1000pF 时 刷新频率为 1100Hz 由 IC9 LED1 LED3 TR1 TR3 组成显示电路 二 元件选择 这里采用的超声波发射头为 T40 16 接收头为 R40 16 参数和外形如下 Item Specifications Center frequency KHz 40 Overpressure value dB 115 Sensitivity dB 64 Major diameter size mm Diameter 16 2 Height 12 2 rito interval 10 0 三 印刷电路板 四 调试 1 调整发射接收电路 把 IC1 从插座上拔下 并短接 IC1 插座的 1 和 3 脚 这时 IC2 的 4 脚应为高电平 并会持续发出高频载波 信号 频率约为 40KHz 此时可用示波器监测 IC4 的 1 脚信号 让超声波探头朝向一面墙 使发出的超声波 返回而被接受器检测到 同时用示波器检测 IC4 的 1 脚信号 慢慢调节 VR1 使 IC4 的 1 脚输出信号最大 断开 IC1 插座的 1 和 3 脚短接线并插上 IC1 此时再用示波器监视 IC4 的 1 脚信号 应能看到超声波脉冲串 2 调整误检测电路 通常该部分电路不需要调整 但如果发现测量几米外的物体 电路始终显示为 0 40 这表明该仪器受到自 身发出的检测脉冲干扰 这时我们需检查或稍许增多 C11 的容量 说明第 1 条线测得于 IC6 的第 1 脚 第 2 条线测得于 IC5 的 3 脚 第 3 条线测得于 IC4 的 1 脚 第 4 条线测得于 IC6 的 10 脚 3 调节计数电路脉冲频率 让电路板垂直于墙面 1m 处 调节 VR3 在中间位置 再调节 VR2 使显示 1 00 但在环境温度改变时 一 般需再次调节 VR2 校准测距仪 4 关于短距离的测量 当我们将测距仪逐渐靠近被测物体 最终读数显示在 34cm 左右 因为这个电路 C11 取值为 0 1uF 由于 防误检测电路的保护作用 所以最小测试距离限制为 34cm 左右 如要进一步缩短测试距离 由前面分析可知 我们必须让发出的测试脉冲宽度更窄 同时减小防误检测电路 C11 的容量 但由于超声波发射器的输出功率有 限