超声波测距仪

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　　在二十世纪相当长的一段时间里，所研制的大多数测距仪都是以一同一原理工作的，即把测得的距离与标准的长度单位相比较，从间测出距离。现在已有了另外一些测距方法，其中之一就是测量声波通过一定距离所用的时间。这种声音的频率通常在人们的听觉范围之外。

　　木文所述的超声波测距仪适用于测量25厘米至6米左右的距离。测得的距离显示在一个3位数的液晶显示器(LCD)上。本仪器耗电很小，故可用电池供电。当电池需更换时，液晶显示器上会显示出“LOBAT”字样。

　　图1的方框图示出了仪器的四个主要部份:发送器接收器，测时和时间基准部份以及带显示器的计数器、

　　在一个脚中群发射停止后马上接收到回波，则尽管接收器的灵敏度很低，但回波的强度足以强到能为接收器进行处理。经过较长时间才到达敏感元件的回波比较弱，但到那时，接收器的灵敏度已变得较高。这样按排j的结果是:可以采用比较简单的方法获得可靠的测量，不受乱真反射和串扰的影响。

　　在检测到回波的瞬间，双稳电路复位，计数器状态被转换成输出锁存。由于时钟频率为17.05KH:，正常大气压力条件下的音速可取331米/秒，因此时钟周期等于脉冲群行进2厘米(前进1厘米，返回1厘米)所费的时间。这意味着，从脉冲群发射开始至检测到回波为止计数数到的时钟脉冲数目等于换能器与反射表面之间的厘米数。

　　精度

　　测量精度取决于时间测量的精确性及环境条件。音速取决于大气压力，温度和空气密度时这些从属关系的细节感兴趣的读者请参阅本文方框里的内容。仪器本身也是个误差源，它造成的误差比大气条件所致的误差更大。主要是由于接收器错藻触大的缘熬，部份地是由于敏感元件的品质因数，它要费一定时间(多达、oKHz信号的几个周期)才能使接收到的信号达到最大幅度，并使接收器触发。每一个延迟的周期造成约

　　半厘米的测量误差通常条件下样机在6米以内的范围内进行了多次侧量，其精度均在2呱即每米误差2厘米立二以内。

　　电路说明

　　发射一元件是山四个配刘的CMOS缓冲器驱动的输出级实际上是个全桥，它使元件两端的有效电压和J’一番。电容器C，隔断了发射暂停期间输出信号的直流成份。为了获得最大能录的脉冲裤，;Ic、直接一与gv电池相连接、电路的J七余部份JIJ5v供电。

　　40KHz的振荡器借助于P;被调至换能器的谐振频率。稳压的供电电压确保了频率有足够的稼失诊性。比较器A、与振荡器的逻辑电平(高二SV)和输出电路的逻辑电平。这种类型的稳压器在低输出电流时只需要小的偏置电流，从而有助于使电路所耗的总、电流保持在低水平(一般为4.smA)。一可惜的是，这种稳压器、的色负载调节性能较差，因此，良好的退藕，尤其是计数器IC的退藕(R:。一C:。)，就显得特别重要。

　　中央测时由IC4提供。当按下51时，输出Q，2每秒两次处于高电位。R:一C::网络使四耳Hz振荡器约振荡。·“毫秒!以便发射出的脉冲群包含，2个40KHz信一号的脉冲。在发射过程中，A、的输出处于高电位，并通过D，将比较器A:的闽值提高到一个不可能被串扰触发的电位。

　　在发射开始时，双稳电路N。一N:。置位。这样便阻塞了IC:的禁止计数输人，随后便开始计数IC‘加到第32脚上的17，05巩Hz脉冲。雄收器输人放大墨鑫3的增益为33dB〔2时。g(R，/R。)〕。由于敏感元件的直流电阻实际上为无穷大，故放大器采用交流藕合。因此输人偏压不被放大。另外，R14的目的是将输人偏流造成的偏压降至最低.输出上的最小偏压是重要的，因为它与A。的输人偏压一起决定了可达到生最大灵敏度。与时间相关的灵敏度A:是通过时间常数R。一C。来降低A。的触发电平而实现的。调节P:可获得与环境条件相匹配的最大灵敏度:在校正一节再详细叙述有关内容接收到一个回波时，A:的输出变成低电位，这f.b双。稳电路复位，而复位又阻塞了通向IC:的时钟。在这同时，二个短暂的负脉冲J迈过R。被加至第3J脚(sToRE)它使计数器的状态被转换成IC:的输出锁存.门电路N，仪对低同l杭储输人起缓冲作用。

　　当IC4的。，2输出变成低电位时，IC。中的计数器复位，电路处于作下一次测最的准备状态。如果在没有回波的i青况下01度成低电位，则计数器仍褪位，就如双稳电路一样(通.吐D;)这时显示器上显示的读数为0.00，表明测景改障。

　　除计数器外.IC。还包含了驱动3一含位显示所必需的一切电路。在目一前的电路中只使)l3位数字。门电咯N::使液晶显示器的底数信号倒相，以此为小数点提供一种固定驱动。

　　加以监控·当电压下降至7V左右时，门电路的功能从非倒相转变为f:7lJ相，使液况，显示器显示出LOBAT字样。R:。提供的ZoomV左右的滞后防_IL了显示字样的闪烁。几气体中的音速·频率为20oH:以上的声音在气体(例如空气)中的速度V按下式计算

　　V=V(丫p/。)

　　式中：丫是气体的绝热体积弹性模量(空气为1.4)p是以帕斯卡(pa)为单位的气体压力(海平面的空气压力为1.0了325x20’pa)。是以kgm一为单位的气体密度(空气密度=1.29kgm一)如果一克分子的空气的质量为M，休积为V，密度为M/V，则音速V是V二、/(Yp/e)一丫(丫pv/M)但是pV~RT，其中R是气体克分子常数，T是绝对温度.因此，V于丫(丫RT/M)对于一种特定的气体来讲，由于丫·M和R均是常数，如果温度保持不变，则声音在气体中的速度与压力无关、而目:音速与它的绝对温度平方根成正比。这样，如果。℃空气中的音速为331，在做任何事情之前，应确信印刷电路板已妥贴地安装于选定的机壳中。应注意将两个角除去，以便为固定前后机壳的螺丝留出通路。

　　有许多线需要连接.正如一般情况一样，这些线应在安装印刷板之前焊接到位。必须将液晶显示器安装在正确的高度，使其与机壳上留出的窗口紧密配合。显示器顶部与印板之间的间距必须为25，nm。为了防_lf.液晶显示器驱动脉冲的串扰到达接收器，必须在液晶显示器上面一排诊脚与换能器之间安装一个锡或黄铜的屏蔽罩。这个屏蔽罩应安装在所设的两个焊脚之间。

　　图J阴影部份需要用第2个屏蔽罩加以复盖。应将它焊于靠近C，3的第1个屏蔽罩，并用几滴高性能胶水或环氧树脂将它固定在位换能器可被安装在印板上所设的焊脚上或被安装于机壳外面，例如:被安装于汽车保险杆上，安装于印板上时，必须使它们朝向机壳的正面，机壳正面必须钻两个16mm直径的孔。如果安装在外面，则应该用两路分别屏蔽的电缆将它们与印板相连。如果在汽车中使用本仪器，并且用汽车电池供电，则最好在仪器的供电线路中串联一个小形扼流周，并用一个100件F，16V的电容器退藕

　　值增加到2n2.相反National半导体公司型一号的滞后高，因此可能有必要将C:的数值降低至470P。

　　折去IC:第1脚与第14脚之间的导线。按下S:确信发射元件每秒生产两个短暂的“咯哒”声。接着，必须调节PZ，直至I忍4中的振荡器以17.o5KHz振荡为止，(用频率计在IC的第9脚上测量乏。如果没有频率计，则应将仪器放在换能器端部与良好的反射面(一堵墙或窗玻璃)之间的距离(用卷尺或类似的工具量得)恰好为一米的地方按下S，，转动P:直至显示器上的读数为1.00。如果读数不稳定或是仅仅是口.口o，则慢慢地转动P3，直至获得正确的。稳定的读数。

　　P3(灵敏度)的调节在很大程度上取决于使用环境。在安静的环境中使用时，可将控制旋钮劝逆时针方向旋足(灵敏度最大)。然而，如果显示器上出现了乱真读数，例如125，256或512，说明灵敏度太高了:仪器检测到了它本身的时钟信一号。这可通过稍稍地以顺时针方向转动一下P3加以消除。

　　如果在嘈杂的环境中使用本仪器，则还应降低其灵敏度，直至它不对乱真声音作出反应为止。但是清注意:这时的最大可测距离缩短了。必须记住:有吸收能力的表面，倒如家具、穿衣服的人等等，不能够或者至少是不能可靠地被检测出来。这是因为，从它们那片反射回来的回波太弱了，不能触发接收器。不过，实验一下这是值得的。例如:可降低R。的阻值来(合理地)提高接收器的灵敏度。此外，改变时间常数R。一C。的数值，也能改变灵敏度与时间的相关性。降低该值将使仪器对较短的距离具有更高的灵敏度。