數字式超聲波測距儀的研制
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計數和顯示電路如圖3所示。CD40110B是十進制可逆計數／鎖存／譯碼／驅動器，具有加減計數、計數器狀態鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。每段輸出電流最大為25 mA，可直接驅動七段共陰極LED數碼管。其中，引腳CPU為加法計數時鐘脈沖輸入端：Qco是加法計數進位輸出端；引腳TE為使能端，TE=0時，計數器工作，TE=1時，計數器禁止計數；LE為鎖存控制端；LE=1時，顯示數據保持不變，但內部計數器仍正常工作。3個CD40110B組成3位十進制加法計數器。3位LED數碼管顯示測量距離。U7對應的LED數碼管單位為m，U6對應的LED數碼管單位為dm，U5對應的LED數碼管單位為cm。74HC00的U4a和U4d組成計數電路脈沖發生器。其振蕩頻率f2≈1／[2．2xC12×(R35+W)]。當環境溫度是25℃。測量距離S為1 m時，超聲波往返時間T=2S／C≈5．8 ms。
這時計數器顯示應為1．00，即1 m。因此計數器在T＝5．8 ms應計數到N=100，這時要求計數電路脈沖發生器脈沖周期T2=T／N=5．8x10－2ms，即要求計數電路脈沖發生器頻率應為f2=1/T2=N／T≈17．2 kHz。要使計數電路脈沖發生器的頻率是17．2 kHz，當C12為2 200 pF時，R35+W=1／(2．2C12f2)≈12 kΩ。由于不同環境溫度下，超聲波在空氣中的傳播速度也不同，所需的計數電路脈沖發生器的頻率也就不一樣。為提高在不同環境溫度下測量的精度，用精密電位器W調節計數電路脈沖發生器的頻率，使測距儀顯示為1．00。U1f、U4b、U4c組成RS觸發器。發射超聲波時，C點為高電平，超聲波接收放大電路的三極管VQI導通，超聲波接收放大電路無信號輸入，E點輸出高電平，RS觸發器的U4c F點輸出為低電平，此時CD40110B處于十進制加法計數狀態，對脈沖發生器的輸入脈沖計數。當超聲波發射完畢，C點為低電平。若超聲波接收放大電路未接收到返回的超聲波，E點仍為高電平，則RS觸發器的U4c F點輸出仍保持低電平，CD40110B繼續計數。一旦超聲波接收放大電路接收到返回的超聲波，E點變為低電平，RS觸發器的U4c F點輸出變為高電平，CD40110B停止計數，并鎖存顯示計數數值；E點恢復高電平，RS觸發器的U4cF點輸出仍保持高電平，CD40110B仍停止計數、鎖存顯示計數數值的狀態。若被測物超出最大有效測量距離，或者沒有被測物時，超聲波接收放大電路一直未接收到返回的超聲波，E點始終為高電平，計數器計數到999后，再加1計數時，U7產生進位輸出，該進位輸出使三位計數器復位，顯示“0．00”，表示測距無效。同時，三極管VQ2瞬時飽和導通，E點電位瞬時變為低電平，F點電位變為高電平。C11和R12構成上電復位電路，接通電源或按復位鍵S1瞬間，三位計數器復位，顯示“0．00”。同時，三極管VQ2瞬時飽和導通，E點電位瞬時變為低電平。F點電位為高電平。圖4為超聲波工作波形。本文引用地址：http://www.104case.com/article/195598.htm
3 器件選型和儀器使用
發送傳感器采用MA40S2S，接收傳感器采用MA40S2R，其中心頻率f0=40 kHz。超聲波測距儀電路有兩個多諧振蕩器，為減少實際振蕩頻率與理論設計頻率的誤差，且使振蕩頻率穩定。振蕩電路采用誤差等級小的金屬膜電阻和溫度系數小的CB型聚苯乙烯電容。設計PCB板時，填充和加大“地”線面積，避免多諧振蕩器之間，以及振蕩器對超聲波接收放大電路產生干擾。超聲波發送傳感器和接收傳感器平行安裝，兩者間保持4～8 cm的距離。根據測量范同要求不同，可調整超聲波接收放大電路檢波電容C9的值，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。在不同環境溫度下使用時，為減少測量誤差，使用前需校準測距儀。最好選擇與被測物距離相近的標準距離校準。如預計被測物距離約2 m，則在室內選擇離墻壁2 m的標準距離校準。每次測距時，須上電復位或按復位鍵S1，顯示“0．00”后，才可按測距開始鍵S2進行測距。測量時，被測物要垂直于超聲波測距儀被測物表面要平坦。
4 結束語
數字式超聲波測距儀體積小，重量輕，便于攜帶，操作簡單，測距迅速。讀數直觀。實驗表明，最大有效測量距離很難達到1O m以上，經過與被測物距離相近的標準距離校準后，測量誤差較小，但測量量程有限。
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