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超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。

超聲波在空氣中的傳播速度為已知,所以超聲波測距的原理是利用測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間,根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。

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(xiàn)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(yīng)用于水文液位測量、建筑施工工地的測量、現(xiàn)場的位置監(jiān)控、振動儀車輛倒車障礙物的檢測、移動機器入探測定位等領(lǐng)域。本文設(shè)計的數(shù)字式超聲波測距儀通過對超聲波往返時間內(nèi)輸入到計數(shù)器特定頻率的時鐘脈沖進行計數(shù),進而顯示對應(yīng)的測量距離。

超聲波發(fā)生電路為超聲波發(fā)生電路。雙定時器EN556(U2b)組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。R6和C6構(gòu)成微分電路,其作用是:當(dāng)按鍵S2按下時,低電平變成正負尖頂脈沖,經(jīng)過VD1得到負尖頂脈沖,觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出的高電平持續(xù)約1 ms,即tw≈1.1R5C5≈1 ms。EN556(U2n)組成多諧振蕩器,接地電阻測試儀振蕩頻率f1=1/T1≈1/{0.7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40 kHz。該振蕩器振蕩受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電平控制。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平時,多諧振蕩器產(chǎn)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(wěn)定,因此設(shè)計輸m脈沖數(shù)較多。若輸出脈沖數(shù)太少,則發(fā)射強度小,測量距離短。但脈沖數(shù)過多,發(fā)射持續(xù)時間長,在距離被測物較近時,脈沖串尚未發(fā)射完,這樣導(dǎo)致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達接收端,影響測距結(jié)果,造成測距盲區(qū)增大。(U1)的U1a~U1e組成超聲波脈沖驅(qū)動電路,可提高驅(qū)動超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值,有效進行電/聲轉(zhuǎn)換,增強發(fā)射超聲波的能力,增大測量距離。40 kHz脈沖串的一路經(jīng)U1a反相,再經(jīng)由U1b和U1e并聯(lián)的反相器反相;其另一路經(jīng)南U1c和U1d并聯(lián)的反相器反相。