超聲波測距儀規(guī)劃教材(共22頁)

1、項(xiàng)目(xingm)9：超聲波測距儀的調(diào)試(dio sh)與檢測9.1 項(xiàng)目(xingm)描述近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，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量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適

2、用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，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、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，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、

3、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(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；(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：9V20%。(2) 最小工作電壓：7V。(3) 極限工作電壓：12V。(4) 探測距離：0.35m5m。(5) 工作頻率：40KHz。9.2理論知識(shí)9.2.1 實(shí)時(shí)距離測量的種

4、類1. 超聲波測距聲波(shn b)是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(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(shngyn)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)(fxin)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

5、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、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(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) 對雨，雪，

6、霧穿透能力強(qiáng)，衰減小，(2) 測距原理簡單，制作方便，成本低，缺點(diǎn)：(1) 超聲波的傳播速度相對電磁波來說慢的多，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量目標(biāo)2. 雷達(dá)測距雷達(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，意為無線電檢測和測距的電子設(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

7、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各自占據(jù)的頻率和波長不同。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)。測量距離實(shí)際是測量發(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)測距系統(tǒng)(xtng)款框圖對于(duy)車載雷達(dá)，一般(ybn)選用60GHz、120GHz、180GHz波段，對應(yīng)的波長為毫米級(jí)，故成為毫米波雷達(dá)。雷達(dá)

8、的優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測遠(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、環(huán)境監(jiān)測等)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)采用的是波長在1厘米以下，頻率30GHZ以上的高頻電磁波，波長短，沿直線傳播且穿透能力強(qiáng)，幾乎不受氣象條件的影響。(2) 不但可以探測目標(biāo)的距離，還可測出相對速度和方位。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. 激光測距激光是2

9、0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“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)。激光測距（Laser distance measuring）是以激光器作為光源，利用激光對目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測定。激光測距儀在工作時(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)器測定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)

10、間，計(jì)算出從觀測者到目標(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。激光測距一般采用兩種方式來測量距離：脈沖法和相位法。脈沖法測距的過程是這樣的：測距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀同時(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，就是測距儀和被測量物體之間的距離。1961年，第一臺(tái)軍用激光測距儀通過了美國軍方論證試驗(yàn)，對此后激光測距儀很快就進(jìn)入了實(shí)用聯(lián)合體。激光測距以其重量輕、體積小、操作簡單速度快而準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于地形測量，戰(zhàn)場測量，坦克，飛機(jī)，艦艇和火炮對目標(biāo)的測距。圖9-2 激光脈沖(michng)測距儀的光學(xué)原理圖優(yōu)點(diǎn)：快，準(zhǔn)，遠(yuǎn)，抗干擾，無

11、盲區(qū)，測距精度可達(dá)厘米甚至毫米級(jí)，比微波(wib)雷達(dá)高近100倍，測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( li)天氣，穿透能力差，導(dǎo)致無法使用。4. 視頻圖像測距視頻圖像的動(dòng)態(tài)測距，與傳統(tǒng)的微波雷達(dá)測距、激光測距、超聲波測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)的視覺測距必將成為測距技術(shù)的發(fā)展趨勢。表9-1 測距技術(shù)對比探測方法超聲波激光雷達(dá)毫米波雷達(dá)視頻系統(tǒng)最大探測距離10m150m150m100m分辨率30mm1mm10m

12、m差方向性901.02.0由棱鏡決定響應(yīng)時(shí)間較慢快快一般溫度穩(wěn)定性一般好好一般環(huán)境適應(yīng)性穿透能力強(qiáng)穿透能力強(qiáng)適應(yīng)性強(qiáng)；穿透能力強(qiáng)穿透能力差硬件價(jià)格低高高高9.2.2 超聲波測距原理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短，超聲波射線可以和光線一樣，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

13、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(xshu)特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離(jl)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。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對于一個(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(nngling)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

14、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)象叫聲壓作用。2. 測距原理最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，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

15、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。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖9-3所示：圖9-3 超聲波的測距原理 （9-1） （9-2）式中：L-兩探頭之間中心距離(jl)

16、的一半.又知道超聲波傳播(chunb)的距離為： (9-3)式中：v超聲波在介質(zhì)(jizh)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： (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)需要測量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí)，則(9-4)變?yōu)椋?(9-5)所以，只要需要測量出超聲波傳播的時(shí)間t，就可以得出測量的距離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

17、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LM741管腳圖。圖9-5 LM741管腳圖3. 顯示器本系統(tǒng)為簡單(jindn)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(f un)二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)(jigu)簡單，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

18、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

19、-7 超聲波發(fā)射(fsh)、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(hud)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(zhyo)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，所以工作溫度比較低，可以長時(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。

20、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。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)(xnho)比較電路(dinl)：比較和測量從發(fā)出(fch)的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時(shí)間差。 測量計(jì)數(shù)電路：完成單位時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)

21、計(jì)算。 = 7 * GB3 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。該測距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

22、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(dinl)(1) 脈沖(michng)信號(hào)發(fā)生器IC1（555）組成超聲波脈沖信號(hào)(xnho)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差，會(huì)有一些差別。條件:R1=9.1M、

23、R2=150K、C1=0.01FTL=0.69R2C=0.691501030.0110-6=1ms (9-6)TH=0.69(R1+R2)C1=0.6992501030.0110-6=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=0.69R4C=0.6915103100010-12=10s (9-8)TH=0.69(R3+R4)C=0.6916.5103100010-12=11s (9-9)f=1/(TL+T

24、H)=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)的探測距離，因此需要對其進(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,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10

25、0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)生信號(hào)失真。圖9-12 接收(jishu)信號(hào)(xnho)放大電路(dinl)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、測量、計(jì)數(shù)和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反

26、射回來的時(shí)間差。它是超聲波測距電路的核心，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=(RbVcc)/(Ra+Rb)=(47K9V)/(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而設(shè)置的。在實(shí)際測量時(shí)，在測距儀的周圍會(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。為避免這種情況發(fā)生，這里用D3直接引入檢測脈沖來適當(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

27、發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時(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)由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當(dāng)測量距離小到一定程度時(shí)，由于D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會(huì)受到影響。圖示參數(shù)的最小測量距離在40cm左右。適當(dāng)減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20C時(shí)可做到30cm測量最短距離。圖9-14 比較(bjio)器電壓(diny)波形(b xn)IC6組成R-S觸發(fā)器構(gòu)成時(shí)間測量電路。可以看出，在發(fā)出檢測脈沖時(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

28、為測試脈沖往返時(shí)間。圖9-15 時(shí)間測量電路計(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/(2.2CR)。電路頻率設(shè)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/(5.8210-3)=17.18(kHz)。如電容C(即C14)為2200pF，此時(shí)電阻R = 1/(2.

29、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)境溫度下測量的需要(xyo)，我們要求電阻R具有(jyu)一定的調(diào)節(jié)范圍，這里用VR2，VR3進(jìn)行調(diào)節(jié)(tioji)，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) ) =

30、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)控制電路這里簡單介紹一下計(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

31、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(z chn)顯示電路，C15用于控制(kngzh)顯示部分的刷新頻率，當(dāng)C15為1000pF時(shí)，刷新(shu xn)頻率為1100Hz。9.3.3 項(xiàng)目PCB項(xiàng)目PCB圖如圖9-19所示。圖9-19 PCB圖9.3.4 元件清單表9-2 超聲波測距儀元件清單序號(hào)名稱封裝數(shù)量編號(hào)描述10.047uF08052C4，C5無極性電容256pF08052C6， C730.1uF08052C2，C34100uFCAPPR7.5-16x351C1極性電解電容55.1K08053R8，R1

32、0，R12電阻6100K08053R4， R9， R117500ohm08051R1810K08053R2，R5， R17916K08052R13，R141051K08051R16111N4007DIO10.46-5.3x2.81D1二極管12CD4001DIP141U8或非門13CD4049DIP141U7反相器14CD14011DIP141U152輸入與非門15CD4023DIP141U123輸入與非門16CD4013DIP141U11D觸發(fā)器17SN74HC161DIP161U10計(jì)數(shù)器18CD4070DIP141U9異或門19CD4511DIP163U1，U2，U3七段譯碼驅(qū)動(dòng)器20A

33、MBERCC3DS1， DS2，DS3七段數(shù)碼管21CC40601U13二進(jìn)制計(jì)數(shù)器2232.768KHz1Y1晶體23LM324SOP141U4集成運(yùn)放24CD4518SOP142U5、U610進(jìn)制計(jì)數(shù)器25TLN1041Q1紅外發(fā)光管26TLP1041Q2接收三極管27SW-PBSWITCH1S1按鍵28POWERCON21J12芯插座 間距5.08mm9.4 項(xiàng)目(xingm)調(diào)試9.4.1單板調(diào)試(dio sh)1. 板調(diào)工藝流程(n y li chn)圖9-20 板調(diào)流程2. 通電前檢查(1)目測：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

34、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)電路板電阻測試指標(biāo)表9-3 電路板電阻測試指標(biāo)值序號(hào)名稱測試點(diǎn)1正向電阻指標(biāo)【k】測試點(diǎn)2備注1VCCVD1的2腳2VDDIC1的3腳3電壓輸出端J5的1腳電阻測試方法 用數(shù)字萬用表的200k檔測試表9-2和表9-3中測試點(diǎn)1對測試點(diǎn)2間的電阻值。3. 電源(dinyun)調(diào)試與檢測設(shè)備(shbi)：萬用表或示波器。表9-4 電源電路電壓(diny)指標(biāo)序號(hào)名稱測試點(diǎn)1電壓指標(biāo)【V】測試點(diǎn)2紋波（mV）備注1VCC78L09的1腳+12V10%78L09的2腳2VDD178L09的3腳+9V電源1組78L0

35、9的2腳測試方法：測試1、2項(xiàng)將萬用表置于DC20V檔，測試上表中的直流電壓，測試結(jié)果應(yīng)滿足指標(biāo)要求。測試時(shí)，萬用表的黑表筆接上表中的“測試點(diǎn)2”、紅表筆接上表中的“測試點(diǎn)1”。4. 顯示模塊調(diào)試(1) 顯示譯碼檢測共陰數(shù)碼管可采用萬用表單獨(dú)檢測好壞：將萬用表黑表筆接數(shù)碼管接地腳，紅表筆接七段數(shù)碼對應(yīng)數(shù)據(jù)腳，檢測是否點(diǎn)亮。數(shù)碼管檢測完畢后，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，

36、這時(shí)IC2的4腳應(yīng)為高電平，并會(huì)持續(xù)發(fā)出高頻載波信號(hào)，頻率約為40KHz，用示波器觀測超聲波發(fā)射頭，檢測輸出幅度、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到，同時(shí)用示波器檢測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)出的檢測脈沖干擾。這時(shí)

37、我們需檢查或稍許增多C11的容量，說明第1條線測得于IC6的第1腳，第2條線測得于IC5的3腳，第3條線測得于IC4的1腳，第4條線測得于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)間差測距法。測距誤差主要(zhyo)來源于以下幾個(gè)方面： = 1 * GB3 超聲波波束對探測(tnc)目標(biāo)的入射角的影響(yngxing)； = 2 *

38、 GB3 超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)； = 3 * GB3 超聲波傳播速度對測距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，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、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。 = 4 * GB3 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2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(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： (9-11)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

39、為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45。(1) 關(guān)于最大檢測距離存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：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。長距離測量由于各種因素的影響會(huì)困難一些。有幾點(diǎn)測量時(shí)我們必須注意 = 1 * GB3 被測目標(biāo)必須垂直于超聲波測距儀。 = 2 * GB3 被測目標(biāo)表面必須平坦。 = 3 * GB3 測量時(shí)在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。(2) 關(guān)于短距離的測量接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采

40、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)我們將測距儀逐漸靠近被測物體，最終讀數(shù)顯示應(yīng)在34cm左右。因?yàn)檫@個(gè)電路C11取值為0.1uF，由于防誤檢測電路的保護(hù)作用，所以最小測試距離限制為34cm左右，如要進(jìn)一步縮短測試距離，由前面分析可知，我們必須讓發(fā)出的測試脈沖寬度更窄，同時(shí)減小防誤檢測電路C11的容量。但由于超聲波發(fā)射器的輸出功率有限，如果縮短測試脈沖時(shí)間，意味著減小了測試脈沖的輸出功率，在測試距離增加時(shí)，會(huì)使反射回來的信號(hào)很弱，造成儀器在長距離測量時(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(zhungpi)流程圖2材料(cilio

41、)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(wi k)、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，同樣接傳感器的引出線。5裝表蓋把測距儀的外殼裝好。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)，外殼對應(yīng)電源指示燈應(yīng)亮起。2. 測距調(diào)試將超聲波探頭對準(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)，觀察測距儀顯示距離變化。檢測其最小測量距

42、離、最大測量距離、精度等指標(biāo)。9.4.4 整機(jī)檢測1. 測量精度采用標(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. 測量準(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 基于超聲波測距的自動(dòng)(zdng)跟車智能車設(shè)計(jì)9.5.1 系統(tǒng)(xtng)框圖小車(xioch)框圖各部分的原理及功能如下

43、： 測距傳感器：由發(fā)射頭、接收頭及其附屬電路構(gòu)成，檢測前方障礙物距離。 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)器檢測來回時(shí)間。 LED顯示：單片機(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 距離的檢測由于測距跟車小車的測距原理與測距儀完全相同，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(jnxng)檢測。其優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快且不會(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)困難的，即機(jī)械改裝難度大。另外，霍爾傳感器價(jià)格昂貴。2.基于光電傳感器的編碼(bin m)盤檢測采用這種方法需要在車輪軸上安裝黑白相間的編碼盤，然后采用紅外對管的傳感器來記錄脈沖的數(shù)目，進(jìn)而(jn r