为了提高超声波信号的强度，同时降低平均发射功率，超声波是以脉冲串的形式向外发送的，脉冲频率即中心频率。SB5227中的定时器从发射第一个脉冲的上升沿时刻开始计数，直到第8脚接收到反射波那一时刻停止计数。因此，只要将测量出的时间间隔(Δt)乘以声速就等于被测距离的两倍(2ΔL)。令超声波在温度T时的传播速度为υ，计算被测距离的公式为：
L=υΔt/2
这就是利用超声波测量距离的原理。
8.4.2超声波测距仪的设计
8.4.2.1换能器的电路设计
超声波发送器与接收器统称为换能器。换能器大多由压电陶瓷晶片构成。
(1)压电陶瓷换能器的特性
SB5227适配压电陶瓷换能器。这种换能器的相频特性曲线及幅频特性曲线。fr、fa分别为共振频率(做发送器用)和反共振频率(作为接收器用)。
换能器仅在fr、fa点分别呈现电阻特性，共振电阻分别为RT1、RT2，其他情况下均呈电抗特性。为了提高能量转换效率，传感器需工作在谐振频率上。对发送器而言，工作在fr上；接收器则以fa为最佳工作点。使用分体式发送器与接收器时，二者的中心频率应当匹配，即所选发射器的共振频率应等于接收器的反共振频率。
器的特性曲线设计超声波测距仪时，必须考虑fr、fa、Upp这三个参数，Upp为最大峰峰值电压。
(2)发送电路
SB5227输出的超声波信号很微弱，必须通过功率放大器才能驱动发送器。
从SB5227第10脚输出的超声波信号，经过缓冲器F和功率放大器(VT1、VT2)驱动发送器。VT1采用小功率晶体管。
(3)接收电路
主要包括以下6部分：输入保护电路(C1、R1、VD1和VD2)；阻抗匹配及电流放大器(VT1)；两级电压放大器(VT2、IC1)；带通滤波器(L1、C6)；输出级放大器(VT3)；电压比较器(IC2)。C1为隔直电容，R1为限流电阻。VD1和VD2构成双向限幅过压保护电路。VT1需采用J型场效应管，VT2与VT3选用小功率晶体管。
IC1为TL061型单运放，IC2为四路电压比较器LM339(现仅用其中一路)。带通滤波器中的中心频率应与接收器的中心频率相同。调节电位器RP可改变接收灵敏度，提高抗干扰能力。常态下IC2输出高电平，当接收到超声波脉冲串的第一个上升沿时就输出低电平，送至SB5227的第8脚，使内部定时器停止计数。
对技术条件要求较高的接收电路，还可增加自动增益控制(AGC)、窗口自动搜索等电路。
8.4.2.2温度检测电路的设计
当环境温度发生变化时，超声波的传播速度也随之改变，这将会引起测距误差。利用温度检测电路可获取与环境温度成正比的频率信号，再送至SB5227中进行温度补偿，即可消除该项误差。
BT为半导体温度传感器，可用硅二极管(或NPN晶体管的发射结)来代替。为了降低BT的自身发热量，宜采用恒压、小电流供电，BT的工作电流一般可设计为200μA。VDZ为稳压管，R1和R2均为限流电阻。
利用BT将环境温度转换成毫伏级的模拟电压信号，送至IC1(TL061)放大成0V~3V的电压信号，再经过IC2(LM331)进行电压/频率(U/f)转换，获得0kHz~14kHz的频率信号送至SB5227的第13脚。温度补偿范围是-41℃~+100℃，RP1为增益调节电位器，RP2为频率校准电位器。它采用三点式校准法，只需将-40℃、0℃和+100℃下的输出频率值依次校准为0Hz、4kHz和14kHz即可。校准后的灵敏度为100Hz/℃。
LM331属于精密U/f转换器。它在1Hz~100kHz频率范围内的非线性度可达±0.03%。R7和C2分别为定时电阻、定时电容。输出频率由下式确定：
fOUT=RRP22.09R7R8C2·UI
式中，RRP2代表电位器RP2的电阻值，R7和R8应采用温度系数低于50×10-6/℃的精密金属膜电阻。经过高频滤波器(R6、C4)接LM331的输入电压端(第7脚)。R9为输出端的上拉电阻。
8.4.2.3其他电路的设计
除IC1(SB5227AM或SB5227AS)外，还有4个芯片：IC2(8位并行输出的串行移位寄存器74LS164)；IC3(带输出锁存的8位串行移位寄存器74LS595)；IC4(基于I2C总线的2KBE2PROM存储器AT24C02)；IC5(RS485总线驱动器MAX485)。在AT24C02中存储着所设定的参数，当突然断电时可防止数据丢失。LED显示器由5位共阴极数码管构成，最高位(万位)用来显示从机地址(ADDR)，其余4位显示测量位，亦可显示出距离的上、下限。LED显示器以动态扫描方式工作。由显示驱动器输出的串行数据经过74LS164转换成并行输出的段信号，依次通过限流电阻R1~R8接数码管的相应电极(段a~g和小数点DP)。74LS595则构成位选通器。晶振电路中包含12MHz石英晶体，振荡电容C1、C2和内部反相器。
LED显示器的右边有4个标志符。EE为外部存储器出错指示，EL为串口工作指示，L1为上限报警指示，L2为下限报警指示。SB5227的第9脚接蜂鸣器BZ，该蜂鸣器亦称讯响器，它是由压电蜂鸣片、振荡及驱动电路构成的。当距离越限时从第9脚输出的低电平就将BZ的电源接通，使之发出报警声。
MAX485的第1、4、2(3)脚分别接SB5227的R、C、T端，主机与从机之间可通过A、B两根网线进行串行通信。
测距仪配4位键盘A、B、C、D，各键功能定义如下：
A键：在工作设定状态下按A键即可进入参数设定菜单，每按一次A键就显示一级菜单，共11级菜单。
B键：在设定状态下进入参数设定/移位模式。设定完毕，先按两次B键再按C键，就将数据存入E2PROM中。
C键：在设定状态下将闪烁位加1并确定小数点的位置；需要负号操作时，按C键即可调出或删除负号。
D键：确认输入值并退出设定状态，进入正常工作状态。
下面介绍在系统正常工作时设定(即标定)参数的过程。
按下A健，进入参数设定菜单，依次显示如下内容：
P——×11级发射功率选择，可通过键盘设定或修改，第1级发射功率最小，依次增大，第11级发射功率最大。
F——×振荡频率选择，分30kHz、40kHz、50kHz、75kHz、125kHz、200kHz，共有6种，由键盘设定。
×××.×换能器的阻尼特性补偿系数(ω值)，对于振荡频率为40kHz、最大传送距离为5m的单个陶瓷换能器，ω=0.240。
×××.×距离显示值的误差修正系数。
En-×温度补偿使能，×=1时使能，×=0时非使能。
L0-××=1时显示距离值，×=2时显示环境温度值(℃)。
0.00(E值)，输入E值或按下D键：增值测距时，E=0；差值测距时，E为总高度；水中测距时，E=-x，x为传感器吃水深度。E值的单位与距离值相同。
×.×××第一距离限值报警指示，当检测到该距离时，显示器上的L1发光，输入值后按D键确认。
×.×××第二距离限报警指示，当检测到该距离时，显示器上的L2发光，输入值后按D键确认。
dr-×本机地址，×=0时未被选中，×=i(i=1~8)时被选中，i为本机地址号。
SET-标定距离值。具体方法是将传感器固定，从传感器的收发端面到目标反射平面的精确距离值。
需要指出，当SB5227工作在差值测距模式时，E值表示总高度，实际高度H=E-L，此功能适用于液位检测，H代表液面高度，L为检测到的距离。
8.4.3超声波测距网络系统的构成
主机选用1片SB5227AM，从机为8片SB5227AS。主机芯片与从机芯片的外围电路完全相同，二者可以互换，但最高显示位仅在做主机时才使能，并且定义为专门显示从机地址的窗口。从机通过串行接口与主机通信，波特率为192000bps，每秒钟可传送192000位数据。当从机所在现场不需要显示时可不接显示器，但从远程主机上仍可观察到每台从机的显示值。主机有两组位式限值设定及控制输出，并具有完善的量程设定功能，可满足工业测控的要求。
主机上各键的定义同从机。工作中按一次A键，即显示指定从机号的测量值，按C键可修改指定从机号。工作中按两次A键，进入菜单设定。主机菜单定义如下：
dr联机台数(1~8)；
L统一下限报警设定值；
H统一上限报警设定值；
1-1号从机显示系数(不用)；
……
8-8号从机显示系数(不用)。
思考与练习题8
1.频率计的基本组成及工作原理。
2.提出一种提高被测频率上限的办法，并进行软、硬件设计。
3.说明糖化试验器的硬件系统的构成及各部分的功能。
4.糖化试验器系统采用了哪些控制方法？
5.说明校准源的用途及基本构成。
6.SFX2000型双通道直流校准源设计上有什么特点？
7.说明超声波测距仪的基本工作原理及其特点。
