??????? 該測距儀采用NE555電路、兩級級放大電路和電平比較電路實現了超聲波的發射與接收。比較器為該測距儀的核心單元，實現發射電路的控制和接收數據的處理。本系統具有很強的實用價值和良好的市場前景。

　　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距儀

　　系統包括超聲波測距模組、LED數碼顯示模組、驅動模組控制模組及電源五部分。

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

　　顯示模塊是一個8位段數碼顯示的LCD;測量結果的顯示用到三位數字段碼，格式為X點XX米，同時還用兩位數字段碼顯示數據的個數。

　　電源采用9V的DC電源輸入，經穩壓管后得出5V以及3.3V的電源供系統各部分電路使用。

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　　圖1 超聲波測距的結構

　　方案二：基于PIC16F876A單片機的超聲波測距儀

　　超聲波測距儀主要以單片機PIC16F876A為核心，其發射器是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的.超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時 ，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/ s，根據計時器記錄的時間t ，就可以計算出發射點距障礙物的距離 s，即s=340×t/2， 這就是常用的時差法測距。

　　在測距計數電路設計中，采用了相關計數法，其主要原理是：測量時單片機系統先給發射電路提供脈沖信號，單片機計數器處于等待狀態，不計數;當信號發射一段時間后，由單片機發出信號使系統關閉發射信號，計數器開始計數，實現起始時的同步;當接收信號的最后一個脈沖到來后，計數器停止計數。

　　雙向超聲波測距儀的系統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 系統設計總體框圖

　　1.2方案選取

　　由于本次課程設計是數模電路設計，，并且考慮到單片機編程對于小組成員都不熟悉，調試將遇到更大困難。方案一電路都為所學知識搭建，原理比較熟悉，故采用了硬件電路較復雜的方案一。

　　二 設計與實現

　　超聲測距儀是根據超聲波遇到障礙物反射回來的特性進行測量的。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計時。 通過不斷檢測產生波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L。基本的測距公式為：L=(△t/2)*C

　　式中 L——要測的距離

　　T——發射波和反射波之間的時間間隔

　　C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s

　　聲速確定后，只要測出超聲波往返的時間，即可求得L。

　　2.1超聲波測距原理

　　2.1.1 發射部分：

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　　圖3 超聲波發射結構圖

　　由兩塊555集成電路組成。IC1(555)組成超聲波脈沖信號發生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差別。

　　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發生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出1ms頻率40kHz，占空比50%的脈沖，停止64ms。計算公式如下：

　　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)組成超聲波發射頭驅動電路。

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　　圖4 超聲波發射電路圖

　　2.1.2接收部分：

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　　圖5 超聲波接收結構圖

　　超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經IC4的2級放大1000倍(60dB)，第1級放大100倍(40dB)，第2級放大10倍(20dB)。 由于一般的運算放大器需要正、負對稱電源，而該裝置電源用的是單電源(9V)供電，為保證其可靠工作，這里用R10和R11進行分壓，這時在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質量，不至于產生信號失真。

　　C9、D1、D2、C10組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至IC5進行處理。

　　IC5、IC6、IC7、IC8、IC9組成信號比較、測量、計數和顯示電路，即比較和測量從發出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下面分析其工作原理。

　　由Ra、Rb、IC5(LM358)組成信號比較器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb) = (47KΩ x 9V)/(1MΩ + 47KΩ) = 0.4V

　　所以當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，這樣在超聲波發射器發出檢測脈沖時，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。

　　IC6組成R-S觸發器構成時間測量電路。可以看出，在發出檢測脈沖時(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端變為低電平，故輸出端D的高電平時間即為測試脈沖往返時間。

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　　圖6 超聲波接收電路圖

　　2.1.3 顯示部分：

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　　圖7 超聲波顯示結構圖

　　計數和顯示電路由IC6、IC7、IC8、IC9組成，IC7組成計數電路脈沖發生器，原理圖如下。

　　其工作頻率f = 1/(2.2 x C x R)。電路頻率設計在17.2kHz左右。這個頻率是根據聲波在環境溫度為20℃ 時的傳播速度為343.5m/s確定的。我們知道在不同的環境溫度下，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為環境溫度，單位為℃。

　　測量距離為1m的物體時，聲波的往返時間為：2m/343.5(m/s)=5.82ms。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發生器的頻率

　　f=100/(5.82×10-3)=17.18(kHz)。如電容C(即C14)為2200pF，此時電阻R = 1/(2.2 x C x f) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 17.18 x 103) = 12KΩ

　　由于在不同的環境溫度下，聲波的傳播速度會不同，為適應不同環境溫度下測量的需要，我們要求電阻R具有一定的調節范圍，這里用VR2,VR3進行調節，其中VR2為粗調電阻，VR3為精調電阻。同樣我們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 x C x R) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103) =17.97KHz

　　環境溫度為1.5 ℃時f = 1/(2.2 x C x R) ) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103) = 16.53KHz

　　實際上，在不同環境溫度下時，我們只要測試標準距離1m，調節計數電路脈沖發生器的頻率(VR2和VR3)，使其顯示為100即可。

　　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，故B點會產生一個復位脈沖信號使計數器清零，同時IC6內與非門被打開，IC8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IC6的有關與非門被關閉，IC8開始停止計數，完成計數過程。

　　C15用于控制顯示部分的刷新頻率，當C15為1000pF時，刷新頻率為1100Hz，由IC9、LED1-LED3、TR1-TR3組成顯示電路。

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　　圖8 超聲波顯示電路圖

　　2.2 PCB制作過程

　　熱轉印制作作簡單，制作精度高，相對與其他的制作方法成本低。

　　第1步：利用PROTEL組織SCH，再生成相應PCB圖

　　第2步：將PCB圖打印到熱轉印紙上。

　　第3步：將打印好PCB的轉印紙平鋪在覆銅板上，準備轉印。

　　第4步：用電熨斗加溫(要很熱)將轉印紙上黑色碳粉壓在覆銅板上形成高精度的抗腐層。

　　第5步：電熨斗加溫加壓轉印。

　　第6步：準備好三氯化鐵溶液進行腐蝕。

　　第7步：腐蝕結束，準備焊接。

　　第8步：用臺鉆或小手鉆打孔。

　　第9步：安裝所需預定原件并焊接好。

　　三.調試

　　3.1 調整發射接收電路

　　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，并會持續發出高頻載波信號，頻率約為40KHz，此時可用示波器監測IC4的1腳信號。讓超聲波探頭朝向一面墻，使發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，此時再用示波器監視IC4的1腳信號，應能看到超聲波脈沖串。

　　3.2 調整誤檢測電路

　　通常該部分電路不需要調整，但如果發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出的檢測脈沖干擾。這時我們需檢查或稍許增多C11的容量，說明第1條線測得于IC6的第1腳，第2條線測得于IC5的3腳，第3條線測得于IC4的1腳，第4條線測得于IC6的10腳。

　　3.3 調節計數電路脈沖頻率

　　讓電路板垂直于墻面1m處，調節VR3在中間位置，再調節VR2使顯示1.00，但在環境溫度改變時，一般需再次調節VR2，校準測距儀。

　　四.注意事項

　　1 元件的選取： 元件的特性曲線各不相同，導致電路無法實現基本功能

　　2 PCB制作方式:由于設備的缺陷導致PCB制作的不足

　　五.結論

　　實物圖：

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　　原理圖：