超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強。超聲波能以一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測定超聲波往返所用時間就可計算出實際距離，從而實現無接觸測量物體距離。超聲波測距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應用于水文液位測量、建筑施工工地的測量、現場的位置監控、車輛倒車障礙物的檢測、移動機器入探測定位等領域。本文設計的數字式超聲波測距儀通過對超聲波往返時間內輸入到計數器特定頻率的時鐘脈沖進行計數，進而顯示對應的測量距離。
2 超聲波測距儀電路組成和工作原理
超聲波測距儀由超聲波發生電路、超聲波接收放大電路、計數和顯示電路組成。
2．1 超聲波發生電路
圖1為超聲波發生電路。雙定時器EN556(U2b)組成單穩態觸發器。R6和C6構成微分電路，其作用是：當按鍵S2按下時，低電平變成正負尖頂脈沖，經過VD1得到負尖頂脈沖，觸發單穩態觸發器翻轉。單穩態翻轉輸出的高電平持續約1 ms，即tw≈1．1R5C5≈1 ms。EN556(U2n)組成多諧振蕩器，振蕩頻率f1=1／T1≈1／{0．7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40 kHz。該振蕩器振蕩受單穩態觸發器輸出電平控制。當單穩態觸發器輸出高電平時，多諧振蕩器產生振蕩，EN556的引腳5輸出約40個頻率為40 kHz、占空比約50％的矩形脈沖。考慮到多諧振蕩器起振階段不穩定，因此設計輸m脈沖數較多。若輸出脈沖數太少，則發射強度小，測量距離短。但脈沖數過多，發射持續時間長，在距離被測物較近時，脈沖串尚未發射完，這樣導致先發射出的脈沖產生的回波將到達接收端，影響測距結果，造成測距盲區增大。74HC04(U1)的U1a~U1e組成超聲波脈沖驅動電路，可提高驅動超聲波發送傳感器的脈沖電壓幅值，有效進行電／聲轉換，增強發射超聲波的能力，增大測量距離。40 kHz脈沖串的一路經U1a反相，再經由U1b和U1e并聯的反相器反相；其另一路經南U1c和U1d并聯的反相器反相。
這樣，施加在超聲波發送傳感器兩端上的2路脈沖電壓相位相反，使超聲波發送傳感器兩端上的脈沖電壓峰一峰值提升近電源電壓的2倍，輸出功率提高4倍。2個CMOS門并聯可增大輸出驅動電流。電容C1用于隔直流，避免直流電壓長時間施加到超聲波傳感器，造成超聲波傳感器絕緣電阻下降，導致超聲波傳感器性能降低。
2．2 超聲波接收放大和整形電路
超聲波接收放大和整形電路如圖2所示。
超聲波接收傳感器將收到的返回超聲波轉成微弱電信號，經CX20106A放大、整形后，輸出負脈沖電壓。CX20106A是紅外線遙控接收器，其內部由前置放大、帶通濾波、檢波和波形整形等電路組成。通過外接電阻，將其內部帶通濾波電路的中心頻率f0設置為40 kHz，就可接收和放大超聲波電信號，并整形輸出負脈沖電壓。該器件的引腳1是超聲波電信號輸入端，引腳2與地之間連接RC串聯網絡，這是內部前置放大電路負反饋網絡的組成部分，改變電阻R8的數值則改變前置放大電路的增益。引腳3與地之間連接檢波電容C9，適當改變C9就可改變超聲波電信號放大和整形電路的靈敏度和抗干擾能力。引腳5與電源間接一只電阻，用以設置內部帶通濾波電路的中心頻率f0。當R9=200 kΩ時，f0=40 kHz。引腳6與地之間接一只積分電容C10標準值為330 pF。如果該電容值取得太大，輸出脈沖低電平持續時間就會增加，測量距離變短。引腳7是電路集電極開路輸出端，R10是該引腳的上托電阻。當CX20106A無信號輸入時，引腳7輸出高電平。輸入的超聲波電信號經放大、整形后，引腳7輸出負脈沖電壓。采用CX20106A實現超聲波接收放大和整形，可避免采用多級集成運放組成高增益放大電路易產生自激等問題。
在發射超聲波期間，圖2中C點為高電平(tW≈1 ms)，三極管V Q1導通，超聲波電信號輸入端短路，從而避免接收到超聲波而發送傳感器發出的直射波。所以該測距儀理論上最小測量距離(肓區)約為Smin=Ctw/2≈0．17 m。其中，C是超聲波在空氣中的傳播速度。因為超聲波在空氣中傳播能量會不斷衰減，所以超聲波測距存在最大有效測量距離。該最大有效測量距離與多種因素有關：超聲波傳感器性能，驅動超聲波傳感器脈沖電壓幅值(功率)，被測物形狀，被測物吸波特性，反射波與入射波夾角，超聲波接收放大電路靈敏度等。
2．3 計數和顯示電路
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。
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。