一款超声波测距电路的设计与制作 

                                                                                                                             作者：贺炜  

超声波测距电路是电子设计中常用的电路模块之一，本文将介绍一款由通用器件构成的超声波测距电路的设计与调试。

1、超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，同时开始计时，超声波在空气中传播，遇到障碍物后发生反射，超声波接收器接收到反射波后停止计时，计时时间为t。超声波在空气中传播速度为340m/s，故发射器与障碍物的距离s=340t/2 (m)。注：超声波的传播速度与温度有关，若测距精度要求较高，则应进行校正。

2、超声波发射电路的设计

超声波应用广泛，其传感器种类也是相当繁多。本设计采用的是常用的40kHz分体式压电超声波传感器。该部分电路如图1所示，利用555构成的多谐振荡器产生40kHz的方波信号，以驱动超声波发射器T40。在NE555的输出端接了一个1kΩ的上拉电阻以提高驱动能力。方波信号的低电平持续时间T_pL≈0.7R₉C₁₅，高电平持续时间T_pH≈0.7（RP₁+R₉）C₁₅，频率f≈1.43/（RP₁+2R₉）C₁₅。

图1 超声波发射电路

3、超声波接收电路的设计

经障碍物反射回来的超声波被超声波接收器R40接收，并转化为电信号。超声波接收电路对R40接收到的信号进行放大和变换，以便单片机的处理。该部分的电路如图2所示，首先采用低噪声运算放大器OPA2335构成反相放大电路对接收到的信号进行两级放大，共放大约225倍。为了在电池供电等单电源情况下正常处理接收到的交流信号，在两级放大电路中利用R₁/R₄、R₇/R₈分压的方式将信号抬升了V_CC/2。电路中采用了一个10uF的钽电容和一个0.1uF的陶瓷电容对芯片的电源引脚进行去耦，减小电源波动对电路的干扰。

放大后的信号送至由OPA2356构成的二阶带通滤波器，滤除干扰信号。该滤波器参数计算公式如下：

，

，

                     （3.1）

图2 超声波接收电路

初步计算参数后，利用Multisim仿真软件对该滤波器进行幅频特性的仿真分析，调整各元件参数并取标称值，使滤波器的中心频率约为40kHz，品质因数约为5，A_v=2。

经滤波后，信号送至由LM393构成的反相输入单门限电压比较器进行波型变换，将正弦波转换为单片机易于处理的方波信号。利用R₁₄/R₁₅分压设置参考电压，使比较器在合适的阈值翻转。在实际应用中可根据具体情况设置该阈值电压，以满足不同的灵敏度要求。接收电路接收到由障碍物反射回来的超声波后，比较器输出电平将立即发生跳变，单片机据此可以计算出障碍物的距离，最终实现超声波测距的功能。在比较器电路设计过程中需要注意的是LM393是集电极开路输出，必须在输出引脚与电源之间接一个上拉电阻。单片机程序的编写在此就不再赘述。

4、电路的调试

在完成原理图及PCB的设计后制出样板，焊接好元件后对各电路逐一进行检查、调试。对于超声波发射电路，上电后利用示波器观察NE555 eq \o\ac(○,3)3脚的输出信号，调节可变电阻RP₁的阻值，使多谐振荡器输出方波的频率为40kHz。对于超声波接收电路，为了便于操作，在调试过程中暂不接入压电式超声波接收器，利用信号发生器提供mV级的40kHz正弦信号模拟超声波接收器的输出。用示波器探测电路各关键点，以了解电路是否正常工作，有无自激振荡等。改变信号源的输出信号频率，使其从30kHz变化到50kHz，用示波器观察滤波器输出信号幅度的变化情况，以判断滤波器的通带及中心频率等参数是否符合设计要求，如不符合则在改变元件参数后重复上述过程（注：如有频谱分析仪，可用其取代示波器对滤波器的幅频特性进行分析，这样可以简化调试过程）。在确定比较器能工作后即可将压电式超声波接收器焊上接收电路，进行整个系统的调试，在这个过程中调节R₁₄与R₁₅的比值，使比较器在符合实际应用要求的阈值电压下翻转，兼顾灵敏度与准确度。至此，整个制作和调试过程结束。经测试，本电路在较高灵敏度的情况下，有效测距范围约为0～4m。