14超聲波測距儀的設計與調試-系統(tǒng)聯調課件

超聲波測距儀的設計與調試

——系統(tǒng)聯調系統(tǒng)電路簡介芯片介紹超聲波測距儀工作原理調試超聲波測距儀的設計與調試

——系統(tǒng)聯調系統(tǒng)電路簡介一、系統(tǒng)電路簡介一、系統(tǒng)電路簡介14超聲波測距儀的設計與調試——系統(tǒng)聯調課件二、芯片簡介二、芯片簡介14超聲波測距儀的設計與調試——系統(tǒng)聯調課件MC14553MC1455314超聲波測距儀的設計與調試——系統(tǒng)聯調課件IC5、U6、U7、U8、U9組成信號比較、測量、計數和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。下面分析其工作原理。

由R12、R13、IC5組成信號比較器。其中

Vrf=(R13*Vcc)/(R12+R13)

=(47KΩ*9V)/(1MΩ+47KΩ)

=0.4V

R12R13Control三、超聲波測距儀工作原理IC5、U6、U7、U8、U9組成信號比較、當A點（IC5的反相端）過來的脈沖信號電壓高于0.4V時，B點電壓將由高電平"1"到低電平"0"。同時注意到在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置的。在實際測量時，在測距儀的周圍會有部分發(fā)出的超聲波直接進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提高IC5比較器的門限轉換電壓，并且這個電壓由C11保持一段時間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時，由于D3的作用使IC5的門限轉換電壓也隨之被提高，并且由于C11的放電保持作用，可防止這時由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當測量距離小到一定程度時，由于D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響。圖示參數的最小測量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20時可做到30cm測量最短距離。此時其放電時間為1.75ms。

當A點（IC5的反相端）過來的發(fā)射信號反射信號引入控制信號后的比較電壓信號提高檢測電平防止非反射信號導致的誤檢測檢測出正常反射信號思考：為了提高最小檢測距離，可以采用哪些方法？發(fā)射信號反射信號引入控制信號后的比較電壓信號提高檢測電平防止U6組成R-S觸發(fā)器構成時間測量電路。可以看出，在發(fā)出檢測脈沖時（A端為高電平），D端輸出高電平，當收到反射回來的檢測脈沖時，C端由高變低，此時D端變?yōu)榈碗娖?，故輸出端D的高電平時間即為測試脈沖往返時間。

接收電路輸出信號控制信號脈沖往返時間發(fā)出收到U6組成R-S觸發(fā)器構成時間測量電路。可以看U8組成計數電路脈沖發(fā)生器。其工作頻率f=1/(2.2*C*R)。電路頻率設計在17.2kHz左右。這個頻率是根據聲波在環(huán)境溫度為20℃時的傳播速度為343.5m/s確定的。在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變，其關系為v＝331.5+0.6×t,其中v的單位為m/s，t為環(huán)境溫度，單位為℃。

U8組成計數電路脈沖發(fā)生器。其工作頻率f=1/(2.2脈沖發(fā)生器的頻率設定：

測量距離為1m的物體時，聲波的往返時間為：2/343.5=5.82ms。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發(fā)生器的頻率f＝100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。如電容C22為2200pF，此時電阻

R=1/(2.2*C*f)

=1/(2.2*2200*10-12*17.18*103)

=12kΩ。

由于在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會不同，為適應不同環(huán)境溫度下測量的需要，要求電阻R具有一定的調節(jié)范圍，這里用R29,R30進行調節(jié)，其中R29為粗調電阻，R30為精調電阻。同樣可以算出在不同溫度下的計數脈沖頻率值，如：溫度為46.5℃時，

f=1/(2.2*C*R)

=1/(2.2*2200*10-12*11.5*103)

＝17.97kHz

環(huán)境溫度為1.5℃時f=1/(2.2*C*R)

=1/(2.2*2200*10-12*12.5*103)

=16.53kHz

實際上，在不同環(huán)境溫度下時，只要測試標準距離1m，調節(jié)計數電路脈沖發(fā)生器的頻率（R29和R30），使其顯示為100即可。

脈沖發(fā)生器的頻率設定：

測量距離為1m的物體這里簡單介紹一下計數器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現測試脈沖往返的時間，當A點電位由低變高時，由于C1電壓不能突變（來不及充電，相當于短

路，VC＝0），故B點會產生一個復位脈沖信號使計數器清零，同時U6內與非門被打開，U8開始通過CLOCK腳計數；同樣當A點電位由高變低時，由于C2電壓不能突變，故C點會產生一個鎖存脈沖信號使計數器數據被鎖存，同時U6的有關與非門被關閉，U8開始停止計數，完成計數過程。

發(fā)射接收清零鎖存這里簡單介紹一下計數器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現測C21用于控制顯示部分的刷新頻率，當C21為1000pF時，刷新頻率為1100Hz，由U9、LED1-LED3、TR1－TR3組成顯示電路。C21用于控制顯示部分的刷新頻率，當C21為1000pF時，四、調試1、調整發(fā)射接收電路

把IC1從插座上拔下，并短接IC1插座的1和3腳，這時IC2的4腳應為高電平，并會持續(xù)發(fā)出高頻載波信號，頻率約為40KHz，此時可用示波器監(jiān)測IC4的1腳信號。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，同時用示波器檢測IC4的1腳信號，慢慢調節(jié)VR1，使IC4的1腳輸出信號最大。

斷開IC1插座的1和3腳短接線并插上IC1，此時再用示波器監(jiān)視IC4的1腳信號，應能看到超聲波脈沖串。

四、調試1、調整發(fā)射接收電路

把IC1從插14超聲波測距儀的設計與調試——系統(tǒng)聯調課件2、調整誤檢測電路通常該部分電路不需要調整，但如果發(fā)現測量幾米外的物體，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。這時我們需檢查或稍許增多C11的容量。下圖中第1條線測得于U6的第1腳（Control信號），第2條線測得于IC5的3腳（比較器同相端輸入信號），第3條線測得于IC4的1腳（放大后的發(fā)射信號），第4條線測得于IC6的10腳（RS觸發(fā)器輸出信號）。

2、調整誤檢測電路通常該部分電路不需要調整，3、調節(jié)計數電路脈沖頻率

讓電路板垂直于墻面1m處，調節(jié)R29、R30使顯示1.00，但在環(huán)境溫度改變時，一般需再次調節(jié)R30，校準測距儀。

4、關于短距離的測量

當我們將測距儀逐漸靠近被測物體，最終讀數顯示在34cm左右。因為這個電路C11取值為0.1uF，由于防誤檢測電路的保護作用，所以最小測試距離限制為34cm左右，如要進一步縮短測試距離，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間，意味著減小了測試脈沖的輸出功率，在測試距離增加時，會使反射回來的信號很弱，造成儀器在長距離測量時受到影響。

3、調節(jié)計數電路脈沖頻率

讓電路板垂直于墻面5、關于長距離測量

長距離測量由于各種因素的影響會困難一些。有幾點測量時必須注意：

1）被測目標必須垂直于超聲波測距儀。

2）被測目標表面必須平坦。

3）測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。

由于發(fā)射功率有限，測距儀無法測量10m外的物體。5、關于長距離測量

長距離測量由于各種因素的實訓報告：1、畫出超聲波測距儀的原理框圖，并簡述測距儀的工作原理。2、若想提高最小檢測距離，可以采用什么方法？為什么?3、實訓中遇到的問題及其解決方法？實訓體會？實訓報告：實訓：超聲波測距儀系統(tǒng)聯調實訓目的：掌握超聲波測距儀的系統(tǒng)原理。掌握超聲波發(fā)射電路與接收電路系統(tǒng)聯調技巧。掌握超聲波測距儀的系統(tǒng)聯調方法和技巧。實訓條件：已調試過的超聲波接收電路板，已調試過的超聲波接收電路板，直流穩(wěn)壓電源一臺，示波器一臺，直尺一把

實訓：超聲波測距儀系統(tǒng)聯調實訓目的：超聲波接收電路示波器接收頭R選頻放大波形變換+5VGND探頭+12VGND-12VGNDoutput直流穩(wěn)壓電源f=40kHz隔離擋板發(fā)射頭T振蕩電路驅動電路+5VGND超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路示波器接收頭R選頻波形+5VGND探頭+12V超聲波接收電路板示波器接收頭R選頻放大波形變換+5VGND探頭+12VGND-12VGNDoutput直流穩(wěn)壓電源隔離擋板發(fā)射頭T振蕩電路驅動電路+5VGND超聲波發(fā)射電路板單片機控制系統(tǒng)單板超聲波接收電路板示波器接收頭R選頻波形+5VGND探頭+1214超聲波測距儀的設計與調試——系統(tǒng)聯調課件超聲波測距儀的設計與調試

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由R12、R13、IC5組成信號比較器。其中

Vrf=(R13*Vcc)/(R12+R13)

=(47KΩ*9V)/(1MΩ+47KΩ)

=0.4V

R12R13Control三、超聲波測距儀工作原理IC5、U6、U7、U8、U9組成信號比較、當A點（IC5的反相端）過來的脈沖信號電壓高于0.4V時，B點電壓將由高電平"1"到低電平"0"。同時注意到在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置的。在實際測量時，在測距儀的周圍會有部分發(fā)出的超聲波直接進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提高IC5比較器的門限轉換電壓，并且這個電壓由C11保持一段時間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時，由于D3的作用使IC5的門限轉換電壓也隨之被提高，并且由于C11的放電保持作用，可防止這時由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當測量距離小到一定程度時，由于D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響。圖示參數的最小測量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20時可做到30cm測量最短距離。此時其放電時間為1.75ms。

當A點（IC5的反相端）過來的發(fā)射信號反射信號引入控制信號后的比較電壓信號提高檢測電平防止非反射信號導致的誤檢測檢測出正常反射信號思考：為了提高最小檢測距離，可以采用哪些方法？發(fā)射信號反射信號引入控制信號后的比較電壓信號提高檢測電平防止U6組成R-S觸發(fā)器構成時間測量電路。可以看出，在發(fā)出檢測脈沖時（A端為高電平），D端輸出高電平，當收到反射回來的檢測脈沖時，C端由高變低，此時D端變?yōu)榈碗娖?，故輸出端D的高電平時間即為測試脈沖往返時間。

接收電路輸出信號控制信號脈沖往返時間發(fā)出收到U6組成R-S觸發(fā)器構成時間測量電路?？梢钥碪8組成計數電路脈沖發(fā)生器。其工作頻率f=1/(2.2*C*R)。電路頻率設計在17.2kHz左右。這個頻率是根據聲波在環(huán)境溫度為20℃時的傳播速度為343.5m/s確定的。在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變，其關系為v＝331.5+0.6×t,其中v的單位為m/s，t為環(huán)境溫度，單位為℃。

U8組成計數電路脈沖發(fā)生器。其工作頻率f=1/(2.2脈沖發(fā)生器的頻率設定：

測量距離為1m的物體時，聲波的往返時間為：2/343.5=5.82ms。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發(fā)生器的頻率f＝100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。如電容C22為2200pF，此時電阻

R=1/(2.2*C*f)

=1/(2.2*2200*10-12*17.18*103)

=12kΩ。

由于在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會不同，為適應不同環(huán)境溫度下測量的需要，要求電阻R具有一定的調節(jié)范圍，這里用R29,R30進行調節(jié)，其中R29為粗調電阻，R30為精調電阻。同樣可以算出在不同溫度下的計數脈沖頻率值，如：溫度為46.5℃時，

f=1/(2.2*C*R)

=1/(2.2*2200*10-12*11.5*103)

＝17.97kHz

環(huán)境溫度為1.5℃時f=1/(2.2*C*R)

=1/(2.2*2200*10-12*12.5*103)

=16.53kHz

實際上，在不同環(huán)境溫度下時，只要測試標準距離1m，調節(jié)計數電路脈沖發(fā)生器的頻率（R29和R30），使其顯示為100即可。

脈沖發(fā)生器的頻率設定：

測量距離為1m的物體這里簡單介紹一下計數器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現測試脈沖往返的時間，當A點電位由低變高時，由于C1電壓不能突變（來不及充電，相當于短

路，VC＝0），故B點會產生一個復位脈沖信號使計數器清零，同時U6內與非門被打開，U8開始通過CLOCK腳計數；同樣當A點電位由高變低時，由于C2電壓不能突變，故C點會產生一個鎖存脈沖信號使計數器數據被鎖存，同時U6的有關與非門被關閉，U8開始停止計數，完成計數過程。

發(fā)射接收清零鎖存這里簡單介紹一下計數器的清零及數據鎖存過程。A點波形即表現測C21用于控制顯示部分的刷新頻率，當C21為1000pF時，刷新頻率為1100Hz，由U9、LED1-LED3、TR1－TR3組成顯示電路。C21用于控制顯示部分的刷新頻率，當C21為1000pF時，四、調試1、調整發(fā)射接收電路

把IC1從插座上拔下，并短接IC1插座的1和3腳，這時IC2的4腳應為高電平，并會持續(xù)發(fā)出高頻載波信號，頻率約為40KHz，此時可用示波器監(jiān)測IC4的1腳信號。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，同時用示波器檢測IC4的1腳信號，慢慢調節(jié)VR1，使IC4的1腳輸出信號最大。

斷開IC1插座的1和3腳短接線并插上IC1，此時再用示波器監(jiān)視IC4的1腳信號，應能看到超聲波脈沖串。

四、調試1、調整發(fā)射接收電路

把IC1從插14超聲波測距儀的設計與調試——系統(tǒng)聯調課件2、調整誤檢測電路通常該部分電路不需要調整，但如果發(fā)現測量幾米外的物體，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。這時我們需檢查或稍許增多C11的容量。下圖中第1條線測得于U6的第1腳（Control信號），第2條線測得于IC5的3腳（比較器同相端輸入信號），第3條線測得于IC4的1腳（放大后的發(fā)射信號），第4條線測得于IC6的10腳（RS觸發(fā)器輸出信號）。

2、調整誤檢測電路通常該部分電路不需要調整，3、調節(jié)計數電路脈沖頻率

讓電路板垂直于墻面1m處，調節(jié)R29、R30使顯示1.00，但在環(huán)境溫度改變時，一般需再次調節(jié)R30，校準測距儀。

4、關于短距離的測量

當我們將測距儀逐漸靠近被測物體，最終讀數顯示在34cm左右。因為這個電路C11取值為0.1uF，由于防誤檢測電路的保護作用，所以最小測試距離限制為34cm左右，如要進一步縮短測試距離，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間，意味著減小了測試脈沖的輸出功率，在測試距離增加時，會使反射回來的信號很弱，造成儀器在長距離測量時受到影響。

3、調節(jié)