超声波测距仪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。如下图所示。
控制单元包括中央控制处理单元（单片机）、键盘控制、显示、输出报警及执行单元五部分构成。具体工作原理简述如下：
1)中央控制处理单元：本单元选用了功能强大的ATMEGA16L微处理器，为了对超声波传感器进行灵活控制，我们将控制单元部分独立出来设计成控制单板的形式。可以根据设定的工作模式，控制产生40kHz方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，与此同时，单片机开始计时。接收端将收到的微弱回波信号检出，送选频放大电路放大，经输出比较产生脉冲输出送单片机中断系统，单片机收到中断信号后停止计时，并通过计算得到距离值送显示，或作为报警和执行单元动作的依据。
2)键盘和显示部分。我们采用独立式键盘控制的输入系统（采用中断方式），由PA口接字符显示液晶TC1602A-21T实现控制显示和所测结果显示。
3)输出报警。本系统采用蜂鸣器报警系统，若应用于汽车倒车系统中，可软件控制模拟产生倒车雷达提示声音，规律是离障碍物越近，则报警声音频率越快。
4)执行单元。本系统采用简单的继电器控制电路，来模拟实际的执行机构的控制过程。
电源部分是将220V交流市电经变压、整流、滤波，再经相关稳压电路输出+5V，+12V，-12V等稳定电压输出供传感器工作。
一、超声波测距仪发射电路
1．超声波发射电路的基本工作原理
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如下图所示。
其中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。
即使用方波进行驱动，由于振子的谐振作用，只有基波的正弦波进行发送驱动。
本系统的振荡电路是利用555产生幅度和占空比可调的40kHz方波信号。如下图所示。
555工作于无稳态工作模式：
电路初次通电时，由于电容C1两端电压不能突变，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C1充电，使Cl两端电压不断升高，约经时间tl，Cl两端电压即阈值端（6脚）电平升至2/3VDD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C1储存电荷将通过R2向7脚放电，使C1两端电压即555的触发端2脚电平不断下降，约经t2时间，电压降至1/3VDD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Cl充电，如此周而复始，电容C1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。输出电波可近似矩形波。555时基振荡电路输出振荡信号的频率为：
输出脉冲占空比为：
本系统的驱动电路采用CMOS六反相器CD4049构成，为了增大驱动电流，我们采用了桥式驱动方式的电路结构；由于传感器具有电容免载特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而4069单门的输出电流（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1
2．超声波发射电路的调试
将电路板上的PBO/XCK/TO测试点插针用排线短接到地，将直流稳压电源输出+5V电源信号到发射电路板上。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。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。上述即构成了如下图所示的测试环境，我们可以对超声波发射电路进行调试。
用示波器测试555的3脚，应该得到一个峰峰值约为5V的矩形波信号；调节VR1使频率可在30k～49k范围内连续可调整的矩形波信号，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Vp-p的值。
测试结果发现，当发射电路输出40kHz方波信号时，接收头输出的信号幅度最大。
进行电路调试时需要注意的问题：
(1)若调整可调电阻VR1，可改变输出矩形波的频率和占空比。
(2)当调整VR1使得输出为40kHz时，由于R2＞＞R1，输出波形占空比约为50%，为近似理想对称方波。
(3) 555的强制复位端4脚由AVR单片机PBO引脚经三极管工作于开关模式下进行驱动。当PBO输出低电平时，555处于无稳态工作模式，产生40kHz方波信号。
二、超声波接收电路
1．超声波接收电路的基本工作原理
超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。
由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须由LM358构成的选频放大电路进行放大。
正弦波信号不能直接被单片机接收，必须进行波形变换。本系统选用LM311构成了具有滞回特性的比较器，对经选频放大后的正弦波信号进行波形变换，实现A/D转换，输出矩形波脉冲，以满足输入单片机处理的要求。本电路在波形变换过程中有较强的抗干扰能力，可以有效的防止输入信号有噪声侵入。
通过合理调节电位器VR2，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。
CD4049主要起缓冲、隔离的作用，减小LM311输出端上拉电阻对后续电路的影响。以便后续可靠地触发单片机中断。如下图所示是超声波接收电路原理图。
2．超声波接收电路的调试
(1)利用对射检测方式进行测距的调试系统
信号发生器输出端子接到超声波传感器发射头的两个输入引脚，正确使用直流稳压电源，产生+12V、-12V、+5V等电源信号，并正确连接到接收电路板上；示波器探头置于PD3/INT1测试点插针上。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。由此构成了超声波接收电路的对射检测方式调试环境如下图所示。
调节信号发生器使得能正确输出峰峰值为2V、频率为40k的方波信号；调试电路板，使选频放大单元和波形变换单元工作正常。配合示波器测试调节VR2使输出合适的回波脉冲信号，以可靠触发单片机中断系统。
增大发射头与接收头之间的测试距离，观察输出的回波信号，直到接收不到回波信号为止。用直尺测定发射头与接收头之间的距离，即为在输入信号峰峰值为2V的情况下，超声波传感器可测试的最大探测距离。
(2)利用反射检测方式进行测距的调试系统
固定信号发生器输出驱动信号的峰峰值为10V。
在前续设置好的实验环境下，将发射板的发射头与接收板的接收头整齐并行排列，使两者间距固定（可将一挡板设置在发射头和接收头中间，以阻挡余波干扰）。另将一硬纸板放置到传感器的对面，构成反射式检测环境如下图所示。
上一篇：红外线测温仪的自校准方法的研究
