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。