1、1超声波测距仪硬件电路设计超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高。 超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，因此超声波测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力，在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别等方面有广泛应用。 由于超声波传播不易受干扰， 能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远， 因而超声波经常用于距离的测量。1超声波测距原理1.1 超声波探头目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有
2、加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波（逆压电效应），即为超声波发射器。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号（压电效应），即为超声波接收器。1.2 超声波测距原理在某一时刻给超声波发生器施加 40KHZ 方波信号，
3、发生器发出超声波，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。只要计算出超声波信号从发射到接收的时间差，知道在介质中的传播速度，就可以计算出被测物体的距离 d=s/2=(vt)/2 。其中 d 为被测2物到测距仪之间的距离，s 为超声波往返通过的路程，v 为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。由于超声波在空气中的传播速度与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求较高，则还要通过温度补偿的方法加以校正。不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：v=331.4+0.61t。式中，t 为实际温度()。 1.3 基于单片机超声波测距仪系统构成
4、2硬件电路设计2.1 超声波发射电路超声波发射电路由 40KHZ 振荡电路、驱动电路、超声波发射器构成。2.1.1 40KHZ 振荡电路40KHZ 振荡可采用软件和硬件两种方案实现。软件方案是利用单片机内部定时计数器定时产生 40KHZ 方波输出，但会耗费单片机 CPU 时间，建议采用硬件方案。40KHZ 振荡电路方案一：与非门多谐振荡器集成四与非门芯片 74LS00 的 U1A、U1B 构成多谐振荡器，产生超声波发射的 40kHz 方波信号，电路振荡频率 f 1/2.2R1C1，通过调节 20k 的电位器可微调振荡频率。单片机单片机系统超声波发射电路超声波接收电路显示电路温度补偿电路键盘电路
5、ds/2s/2超声波发射器超声波接收器40KHZ 振荡电路 驱动电路3I/O 口输出的控制信号由 U1B 输入，控制超声波的振荡与停止。U1C 为整形输出。40KHZ 振荡电路方案二：555 多谐振荡器W110K123&U1A74LS00456&U1B74LS008910&U1C74LS00R1100KC1 100P停停停停停 停停40KHZ停停TRIG 2OUT 34CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU1555VCCR11.5KR215KC11nC20.01停停 停停停停停40KHZ停停42.1.2 发射驱动电路发射驱动电路方案一：非门组成超声波发射头驱动电路C
6、D4069 是 CMOS 集成六非门芯片，用它按下图构成超声波发射头驱动电路。放在驱动电路方案二：音频集成功放驱动电路为提高超声波的发射功率，增大提高测量距离，可采用音频集成功放做驱动电路。LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。2.2 超声波接收电路超声波接收电路由放大、整形、译码电路构成。放大 整形 译码5超声波接收电路方案一：音频译码集成块构成接收电路接收头将超声波调制脉冲变为交变电压信号，通过 CMOS 6 非门芯片 CD4069 整形，整形后的信号由 C1 耦合给带有锁定环的音频译码
7、集成块 LM567 的输入端 3 脚，当输入信号的幅度落在其中心频率上时，LM567 的逻辑输出端 8 脚由高电平跃变为低电平。8 脚输出的低电平接单片机的外部中断引脚，单片机接收到低电平后触发中断，调用计算子程序计算距离。超声波接收电路方案二：红外线检波接收专用芯片构成接收电路集成电路 CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器，内部包括放大、限幅、带通滤波、峰值检波和波形整形等电路。考虑到红外遥控常用的载波频率 38 kHz 与测距的超声波频率 40 kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用 CX20106A 接收超声波(无信号时输出
8、高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。OUT INT6R4 和 C3 是控制 CX20106 内部放大增益，R5 控制带通滤波器的中心频率。一般取R4=4 欧，C3=1Uf。其余元件按图 2 取值。US_T 为超声波接收头，OUT_INT 当收到超声波是产生一个下降沿，接到单片机的外部中断上，作为单片机接收到反射回的超声波识别信号。2.3 温度补偿电路采用数字温度传感器 DS18B20 来采集温度，DS18B20 是美国 DALLAS 公司生产的 1-wire总线串行数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、抗干扰能力强、易于与微处理器接口等优点，适合于各种温度测控系统。它的测量温度范围为-55+125，精度可达0.0675，最大转换时间为 200ms。DS18B20 可以直接读出被测温度值,而且采用了 1 线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点。DS18B20 的具体测温编程请查阅相关资料。6
