超聲波測(cè)距儀制作方案

??????? 該測(cè)距儀采用NE555電路、兩級(jí)級(jí)放大電路和電平比較電路實(shí)現(xiàn)了超聲波的發(fā)射與接收。比較器為該測(cè)距儀的核心單元，實(shí)現(xiàn)發(fā)射電路的控制和接收數(shù)據(jù)的處理。本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和良好的市場(chǎng)前景。

　　一 總的方案

　　1.1可選方案

　　方案一：利用分立模塊的超聲波測(cè)距儀

　　系統(tǒng)包括超聲波測(cè)距模組、LED數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動(dòng)模組控制模組及電源五部分。

　　超聲波測(cè)距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制(如圖1所示);超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。

　　顯示模塊是一個(gè)8位段數(shù)碼顯示的LCD;測(cè)量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為X點(diǎn)XX米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。

　　電源采用9V的DC電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。

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　　圖1 超聲波測(cè)距的結(jié)構(gòu)

　　方案二：基于PIC16F876A單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀

　　超聲波測(cè)距儀主要以單片機(jī)PIC16F876A為核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動(dòng)周?chē)諝庹駝?dòng)來(lái)工作的.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí) ，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。一般情況下，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)距障礙物的距離 s，即s=340×t/2， 這就是常用的時(shí)差法測(cè)距。

　　在測(cè)距計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測(cè)量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號(hào)，單片機(jī)計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計(jì)數(shù);當(dāng)信號(hào)發(fā)射一段時(shí)間后，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號(hào)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起始時(shí)的同步;當(dāng)接收信號(hào)的最后一個(gè)脈沖到來(lái)后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

　　雙向超聲波測(cè)距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成(如圖2所示)： LED顯示模塊，PIC16F876A芯片，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。

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　　圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

　　1.2方案選取

　　由于本次課程設(shè)計(jì)是數(shù)模電路設(shè)計(jì)，，并且考慮到單片機(jī)編程對(duì)于小組成員都不熟悉，調(diào)試將遇到更大困難。方案一電路都為所學(xué)知識(shí)搭建，原理比較熟悉，故采用了硬件電路較復(fù)雜的方案一。

　　二 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　超聲測(cè)距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。 通過(guò)不斷檢測(cè)產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L?；镜臏y(cè)距公式為：L=(△t/2)*C

　　式中 L——要測(cè)的距離

　　T——發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔

　　C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s

　　聲速確定后，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間，即可求得L。

　　2.1超聲波測(cè)距原理

　　2.1.1 發(fā)射部分：

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　　圖3 超聲波發(fā)射結(jié)構(gòu)圖

　　由兩塊555集成電路組成。IC1(555)組成超聲波脈沖信號(hào)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: RA =9.1MΩ、 RB=150KΩ、 C=0.01μF

　　TL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6 = 1 msec

　　TH = 0.69 x (RA + RB) x C = 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6 = 64 msec

　　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: RA =1.5KΩ、 RB=15KΩ、 C=1000pF

　　TL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12 = 10μsec

　　TH = 0.69 x (RA + RB) x C = 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12 = 11μsec

　　f = 1/(TL + TH) = 1/((10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz

　　IC3(CD4069)組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路。

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　　圖4 超聲波發(fā)射電路圖

　　2.1.2接收部分：

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　　圖5 超聲波接收結(jié)構(gòu)圖