超声波测距仪的设计与调试-发射部分

本系统中超声波测距基本原理

由于超声波指向性强，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，如测距仪、物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s。即：s=340·t/2，这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距仪的总体设计方案超声波发射头超声波接收头振荡电路驱动电路波形变换放大电路控制处理单元显示电源部分发射电路接收电路控制部分电源部分超声波测距仪的总体设计方案

本系统主要由超声波发射电路、接收电路、控制部分及电源四部分组成。控制信号由555定时器构成的低频振荡器来实现。发射电路由555定时器构成的高频振荡器产生40kHz方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，同时开始计时。接收端将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，经输出比较产生脉冲输出，系统收到中断信号后停止计时，计算出时间并换算为距离值显示，本系统可以满足多领域的应用。本系统中关键电路是超声波发射电路和超声波接收电路。后续课程针对这两部分分别进行重点论述。超声波发射电路基本原理

超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波发射头组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的40kHz频率信号。由于超声波振子也有约2000PF的电容，有充放电电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声波。使用方波进行驱动时，由于振子的谐振作用，也变为正弦波进行发送。本系统的振荡电路利用555产生占空比可调的40kHz方波信号。超声波发射头振荡电路驱动电路振荡电路部分驱动电路部分控制电路部分基于555的超声波发射电路超声波发射电路——基于555的振荡器

本电路中采用555定时器构成振荡电路，2脚（6脚）及地之间的电容不断的进行充、放电，导致555时基电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端3脚交替输出高电平与低电平，输出波形为近似矩形波，此电路也称为自激多谐振荡器。555多谐振荡电路工作原理555多谐振荡器的基本电路如图所示。电路初次通电时，由于电容C两端电压不能突变，555的2脚为低电平，555时基电路置位，即3脚输出高电平，内部放电晶体管截止，7脚被悬空，此时正电源VDD通过电阻R1、R2向电容C充电，使C两端电压不断升高，约经时间tH，C两端电压即阈值端（6脚）电平升至2VDD/3时，555时基电路翻转复位，3脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，7脚也为低电平，此时电容C储存电荷将通过R2向7脚放电，使C两端电压即555的触发端2脚电平不断下降，约经tL时间，电压降至VDD/3时，555时基电路又翻转置位，3脚又输出高电平，7脚再次被悬空，正电源又通过R1,R2向C充电，如此周而复始，电容C不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，3脚将交替输出高电平和低电平。

555多谐振荡电路的脉冲宽度TL由电容C的放电时间来决定：

TL≈0.7R2CTH由电容C的充电时间来决定：

TH≈0.7（R1+R2）C输出振荡信号的周期为：

T=TL+TH频率为：输出脉冲占空比为：占空比：正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。若调整可调电阻VR1，可改变输出矩形波的频率和占空比。当调整VR1使得输出为40kHz时，由于（VR1+R4）>>R3，输出波形占空比约为50%，为近似理想对称方波。555的强制复位端4脚由另一个555低频振荡器的输出取反后控制。超声波发射电路——基于CD4069的驱动器

本电路采用CMOS六反相器CD4069构成驱动电路，为了增大驱动电流，可以采用CD4069中两个甚至三个方向器并联的方式实现。CD4069为什么两个反相器并联就可以提高驱动能力？答案：此电路结构称为桥式驱动方式，由于超声波传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力当然提高啦！

实训6：超声波发射电路的制作与调试实训目的：理解555振荡电路的工作原理和调试技巧。理解CD4069驱动电路的工作原理。实训条件：超声波发射头及配套元件一套、超声波接收头，直流稳压电源一台，示波器一台。

实训6：超声波发射电路的制作与调试实训方法：一、设置实验环境：步骤1：要求学生按照发射电路的电路图将配套元件焊接到板上，并连好线。步骤2：加9v电压，用示波器观察第一个555振荡器（低频）的输出电压信号和电容电压信号，进一步认识555振荡器的工作原理，同时测量输出信号的频率以及高低电平的脉宽，计算占空比；对于第二个555振荡器，调节VR1得到频率38K～42K的矩形波信号（此时不使用低频振荡器的控制信号，而直接将第二个555的4脚接高电平）。步骤3：连接超声波传感器发射头到发射电路，将示波器的接地端子和信号端子分别连接超声波传感器接收头的两个输出引脚。步骤4：固定发射头与接收头的间距为10cm，并将发射头对准接收头，准备测试接收头接收超声波后产生的同频信号电压。实训6：超声波发射电路的制作与调试直流稳压电源示波器发射头接收头TR振荡电路驱动电路+9VGND超声波发射电路探头

实训6：超声波发射电路的制作与调试二、测试本实训系统的幅频特性：步骤1：通过调节VR1，使得555的3脚输出矩形波信号频率在38K～42K范围内变化，从而实现产生不同频率信号（不同占空比）来驱动发射头。用示波器观察超声波接收头的输出信号波形，记下的值。请按照如下表格设置的频率数据要求进行测试。注意：要求测试每对数据时，一定要首先用示波器准确调试输出的准确的频率信号后，再驱动发射头，测试接收头产生的同频信号电压。实训作业1：分析记录数据，绘制输出V~f关系曲线，得出超声波传感器幅频特性结论。实训6：超声波发射电路的制作与调试f(kHz)38K38.5K39K39.5K40K40.5K41K41.5K42K(V)表1：测试本实训系统的幅频特性Control