51单片机超声波测距仪设计+电路图+原理图(4)
采用双晶振子的超声波换能器,若在发送器中谐振频率为40kHz的双晶振子上施加频率为40kHz的高频电压，就会使其中的压电陶瓷片相应的伸长与缩短，进而产生并发送频率为40kHz的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。如果接收到由发送器发送的超声波，振子就会以与其相同的频率进行振动，进而就产生频率相同的高频电压。其工作方式就是利用了压电效应的原理，即在将压力施加在压电元件的特定方向上，使元件发生应变，就会产生一面为负极，另一面为正极的电压，当然这种电压还是很小的，必须采用放大器放大。
2.3 超声波发射电路设计
超声波发射电路如图5所示。
图5 超声波发射电路
超声波的发射采用推挽形式，将P1.0端口发出的方波加到换能器的两个电极，使超声波发射时的强度得到提高。发射电路主要由超声波换能器和74HC04构成，由单片机的P1.0端口输出一系列40KHZ方波信号脉冲，一路经过一级反向后将脉冲送至超声波换能器的其中一个电极，另一路经过两级反向后送到换能器的另外一个电极，使其产生共振后，发射出超声波[5]。如图6所示。
图6 超声波发射电路
2.4 超声波接收电路的设计
超声波接收电路原理图如图7所示。
图7 超声波接收电路
超声波接收采用的是常用于电视红外遥控接收器的芯片CX20106A。CX20106A是日本索尼公司生产的用于接收红外遥控信号的集成电路，其中含有前置放大、自动偏压控制、振幅放大、峰值检波和整形电路等。CX20106A的红外发射频率为38kHz，和超声波器件40kHz的固有频率相近，可将其用于超声波接收放大电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
工作时，超声波传感器将接收到的微弱声波震动信号转换为电信号，送给CX20106A的输入端1，当CX20106A收到信号时，7脚就会输出一个低电平，作为单片机的中断信号源。其电路框图如图8所示[7]。CX20106A的各引脚功能及说明如表1[6]。
图8 CX20106A的内部电路方框图及典型应用电路
表1 CXA20106A各引脚说明
引脚号 说 明
1 超声信号的输入端，其输入阻抗大约是40kΩ。
2 该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能可以改变前置放大器的频率特性和增益。减小电阻R或增大C,则会使负反馈的量减小，放大倍数增大，反之则放大倍数下降。但C的改变会对频率特性产生影响，所以在实际应用中不做改动，推荐选用的参数是R=4.7Ω，C=3.3μF。
3 该引脚与地之间连接检波电容，若电容量小，就是峰值检波，瞬间的相应灵敏度较高，但是对于检波输出的脉冲宽度，其变动较大，容易造成误动作；容量大，则是平均值检波，瞬间相应灵敏度较低，推荐的参数为3.3μf。
4 接地端。
5 该引脚与电源间有一个电阻接入，用来设置带通滤波器中心频率f0，阻值越大，中心频率就越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。
6 该脚与地之间有一个积分电容接入，它的标准值是330pF，如果使其取得过大，就会使探测的距离变短。
7 遥控命令的输出端，它的输出方式是集电极开路，因此该引脚必须在电源端接上一个上拉电阻，推荐的阻值是22kΩ，没有接受信号时它将输出高电平，有信号时则会产生下降。
8 电源正极，4.5～5.5V。