1.4超声波测距仪的设计与调试——系统联调

超声波测距仪的设计与调试 系统联调 系统电路简介芯片介绍超声波测距仪工作原理调试 一 系统电路简介 二 芯片简介 MC14553 IC5 U6 U7 U8 U9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 下面分析其工作原理 由R12 R13 IC5组成信号比较器 其中Vrf R13 Vcc R12 R13 47K 9V 1M 47K 0 4V 三 超声波测距仪工作原理 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 思考 为了提高最小检测距离 可以采用哪些方法 U6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 U8组成计数电路脉冲发生器 其工作频率f 1 2 2 C 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 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 脉冲发生器的频率设定 测量距离为1m的物体时 声波的往返时间为 2 343 5 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C22为2200pF 此时电阻R 1 2 2 C f 1 2 2 2200 10 12 17 18 103 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 要求电阻R具有一定的调节范围 这里用R29 R30进行调节 其中R29为粗调电阻 R30为精调电阻 同样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 C R 1 2 2 2200 10 12 11 5 103 17 97kHz环境温度为1 5 时f 1 2 2 C R 1 2 2 2200 10 12 12 5 103 16 53kHz实际上 在不同环境温度下时 只要测试标准距离1m 调节计数电路脉冲发生器的频率 R29和R30 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 来不及充电 相当于短路 VC 0 故B点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零 同时U6内与非门被打开 U8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U6的有关与非门被关闭 U8开始停止计数 完成计数过程 C21用于控制显示部分的刷新频率 当C21为1000pF时 刷新频率为1100Hz 由U9 LED1 LED3 TR1 TR3组成显示电路 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 下图中第1条线测得于U6的第1脚 Control信号 第2条线测得于IC5的3脚 比较器同相端输入信号 第3条线测得于IC4的1脚 放大后的发射信号 第4条线测得于IC6的10脚 RS触发器输出信号 3 调节计数电路脉冲频率让电路板垂直于墙面1m处 调节R29 R30使显示1 00 但在环境温度改变时 一般需再次调节R30 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 如果缩短测试脉冲时间 意味着减小了测试脉冲的输出功率 在测试距离增加时 会使反射回来的信号很弱 造成仪器在长距离测量时受到影响 5 关于长距离测量长距离测量由于各种因素的影响会困难一些 有几点测量时必须注意 1 被测目标必须垂直于超声波测距仪 2 被测目标表面必须平坦 3 测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体 由于发射功率有限 测距仪无法测量10m外的物体 实训报告 1 画出超声波测距仪的原理框图 并简述测距仪的工作原理 2 若想提高最小检测距离 可以采用什么方法 为什么 3 实训中遇到的问题及其解决方法