基于超聲波傳感器的障礙物檢測課程設計報告

1、智能儀器儀表設計基礎課程設計報告單 位： 學生姓名： 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 指導老師： 成 績： 設計時間：2013 年 5月指導老師提供的設計題目和要求1、 設計題目：基于超聲波傳感器的障礙物檢測電路仿真設計2、 指導老師：3、 設計條件：1 仿真軟件可用multisim10軟件或者saber軟件。2 超聲波傳感器詳細參數(shù)：工作頻率：40khz1.0khz聲壓值：94db(30cm/10vrms sine wave)靈敏度：-82db/v/u bar(0db=v/pa)；余振：1.2ms；-6db方向性(度)：6010電容： 2000pf10%；最大輸入電壓(vp-p)：150(40

2、khz)使用溫度范圍：-35+80儲藏溫度范圍：-40+854、 設計要求：1 設計電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩部分。超聲波發(fā)射電路包括升壓激勵模塊。超聲波回波接收電路包括一級帶通濾波電路、二級帶通電路、回波二值化電路組成。2 當在超聲波發(fā)射電路輸入端輸入vpp=5v，vmin=0v的方波信號時，超聲波發(fā)射電路輸出端能輸出vpp=100v150v，f=40khz的一個激勵信號。3 當在超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號。當在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出

3、高電平信號。4 附加要求：請用虛擬儀器顯示各個電路模塊輸入端信號及輸出端信號5、 參考書目1 胡向東，劉京誠，余成波等編著，傳感器與檢測技術 機械工業(yè)出版社，20092 張國雄主編 測控電路 機械工業(yè)出版社，第4版1、 摘要 本次仿真實驗設計電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩部分。超聲波發(fā)射電路包括升壓激勵模塊。超聲波回波接收電路包括一階低通濾波電路、二級低通電路、回波二值化電路組成。在本次應用multisim10軟件仿真實驗過程中我們用555定時器產(chǎn)生了05v的方波激勵信號，并通過升壓激勵電路最終能輸出vpp=100v150v，f=40khz的一個激勵信號。而當在超聲波回波接收電路

4、輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號。當在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號。二、相關電路概述及原理簡介1、超聲波傳感器 超聲波發(fā)射與回波接收電路的主要作用是提高驅(qū)動超聲波傳感器的脈沖電壓幅值，有效地進行電聲轉(zhuǎn)換，增大超聲波的發(fā)射距離，并通過收發(fā)一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉(zhuǎn)變成微弱的電信號。超聲波發(fā)射與回波接收電路如圖3所示(畫出一路，其他三路與該路一樣)。圖1 超聲波發(fā)射原理圖 efr40rs是收發(fā)一體封閉(防水)型超聲波傳感器，其中心頻率f0=(40010)khz，-3 d

5、b帶寬1 khz。驅(qū)動電壓峰一峰值要求60150 v。cd4052是雙路四選一模擬開關，單片機的p34和p35端口輸出選通信號，單片機的p33端口輸出一串40 khz的脈沖電壓，通過cd4052的x路加到選通的開關三極管q1基極，經(jīng)脈沖變壓器t1升壓至100 vp-p左右，驅(qū)動超聲波傳感器efr40rs發(fā)射超聲波。發(fā)射時的脈沖電壓幅值大小直接影響測距的遠近，應采用超聲波專用的脈沖變壓器。反射回的超聲波經(jīng)原收發(fā)一體封閉型超聲波傳感器變成毫伏級的一串脈沖電信號。由于回波電信號的幅值小，vd3和vd4二極管截止，該信號不會通過t1變壓器副邊線圈形成短路。vd1和vd2二極管也截止，所以回波電信號經(jīng)r

6、1和c1，通過cd4052的y路送到超聲波電信號放大與整形電路。r1和vd1，vd2組成雙向限幅電路，避免發(fā)射時的大信號造成超聲波放大與整形電路阻塞，甚至損壞電路。 2、555定時器 555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555，用cmos工藝制作的稱為7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555定時器的電源電壓范圍寬，可在4.5v16v工作，7555可在318v工作，輸出驅(qū)動電流約為200ma，因而其輸出可與ttl、cmos或者模擬電路電平兼容。電路組成： 圖2 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器電路 用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩

7、器電路如圖所示：圖中電容c、電阻r1和r2作為振蕩器的定時元件，決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬度。定時器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接r1、r2相連處，用以控制電容c的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uf電容接地。 多諧振蕩器的工作波形如圖所示，電路接通電源的瞬間，由于電容c來不及充電，vc=0v，所以555定時器狀態(tài)為1，輸出vo為高電平。同時，集電極輸出端（7腳）對地斷開，電源vcc對電容c充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)i，此后，電路周而復始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩(wěn)態(tài)的維持時間取決于rc充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時間

8、，即輸出vo的正向脈沖寬度t10.7(r1+r2)c；暫穩(wěn)態(tài)的維持時間，即輸出vo的負向脈沖寬度t20 .7r2c。.圖3 多諧振蕩器的工作波形 因此，振蕩周期t=t1+t2=0.7(r1+2r2)c，振蕩頻率f=1/t。正向脈沖寬度t1與振蕩周期t之比稱矩形波的占空比，由上述條件可得d=（r1+r2）/（r1+2r2），若使r2r1，則d1/2，即輸出信號的正負向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。電容器c放電所需的時間為：tpl=r*ln20.7*r；當c放電結(jié)束時，t截止，vcc將通過r1、r2向電容器c充電，vc由vcc/3上升到2vcc/3所需的時間為:tph=(r1+r2)*c*ln20

9、.7*(r1+r2)*c；當vc上升到2vcc/3時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，在輸出端就得到了一個周期性的方波，其頻率： f=1/(tpl+tph)1.43/(r1+2*r2)*c 555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。555定時器內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個rs觸發(fā)器，一個放電管t及功率輸出級。它提供兩個基準電壓vcc /3 和 2vcc /3。本次仿實驗中我們將利用555定時器構(gòu)成的多協(xié)振蕩器產(chǎn)生脈沖信號。

10、如圖4所示。圖4 555定時器構(gòu)成的多協(xié)振蕩器參考圖多諧振蕩器應用舉例：a.模擬聲響發(fā)生器：將兩個多諧振蕩器連接起來，前一個振蕩器的輸出接到后一個振蕩器的復位端，后一個振蕩器的輸出接到揚聲器上。這樣，只有當前一個振蕩器輸出高電平時，才驅(qū)動后一個振蕩器振蕩,揚聲器發(fā)聲；而前一個振蕩器輸出低電平時，導致后面振蕩器復位并停止震蕩,此時揚聲器無音頻輸出。因此從揚聲器中聽到間歇式的嗚.嗚聲響。b電壓頻率轉(zhuǎn)換器：由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器中，若定時器控制輸入端（5腳）不經(jīng)電容接地，而是外加一個可變的電壓源，則通過調(diào)節(jié)該電壓源的值，可以改變定時器觸發(fā)電位和閥值電位的大小。外加電壓越大，振蕩器輸出脈沖周期

11、越大，即頻率越低；外加電壓越小，振蕩器輸出脈沖周期越小，即頻率越高。這樣，多諧振蕩器就實現(xiàn)了將輸入電壓大小轉(zhuǎn)換成輸出頻率高低的電壓頻率轉(zhuǎn)換器的功能。3、低通濾波器 濾波器的工作原理是當信號與噪聲分布在不同的頻帶中時，利用濾波器對不同頻率信號有不同的衰減特點，從頻率域?qū)崿F(xiàn)信號分離。本次試驗中采用無限增益多路反饋型濾波電路，它是一個由賦以多路反饋的理論上具有無限增益的運算放大器構(gòu)成的濾波電路。圖2所示分別是一階有源低通濾波器和由單一運算放大器構(gòu)成的無限增益多路反饋二階低通濾波電路的基本結(jié)構(gòu)。無限增益多路反饋二階低通濾波器參數(shù)如公式（1）。圖5 一階低通濾波器以及無限增益多路反饋低通濾波器 公式（1

12、）三、超聲波傳感器的障礙物檢測電路設計思路本次仿真實驗設計電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩部分。根據(jù)超聲波傳感器相關資料我們了解到，超聲波傳感器的工作電壓是在100v150v，在本次仿真實驗中，我們利用一個2nf的電容代替超聲波傳感器，因此，我們需要在電容的一端輸出100v150v的電壓值，以滿足實際超聲波傳感器工作需要。由于超聲波傳感器是收發(fā)兩用傳感器，因此在發(fā)出超聲波的同時也會接收到一個60mv2v左右的信號作為反饋信號，但由于信號幅值較小同時包含噪聲，我們需要首先對其濾波放大。其次，由于設計需要，我們需要將該信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻品讲ㄐ盘枴Ｒ虼?，我們設計的超聲波發(fā)射電路包括升壓激勵模

13、塊以及555定時器方波發(fā)生器模塊，而超聲波回波接收電路包括一級低通濾波電路、二級低通電路、回波二值化電路模塊。 當在超聲波發(fā)射電路輸入端利用555定時器方波發(fā)生器輸入vpp=5v，vmin=0v的方波信號時，超聲波發(fā)射電路通過變壓器升壓使輸出端能輸出vpp=100v150v，f=40khz的一個輸出信號。另外，在本次試驗中我們利用一個2nf的電容代替超聲波傳感器，因此，在輸出端輸出100v150v信號時，在另外的超聲波回波電路輸入端會接收到一個vpp=60mv2v，f=40khz的信號。當在超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號時，我們利用兩級低通濾波器進

14、行濾波，得到所需要的波段。然后利用比較器進行二值化處理，當在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號。4、 超聲波傳感器的障礙物檢測電路實際設計1、 超聲波發(fā)射電路部分在本次應用multisim10軟件仿真設計試驗中，我們用555定時器產(chǎn)生05v的方波，并通過變壓器升壓激勵模塊將方波升壓為100v150v，f=40khz的一個輸出信號，然后通過輸出端輸出一個正弦信號。555定時器電路圖如圖5所示。發(fā)射端電路圖如圖6所示。 圖6 555定時器電路圖6 超聲波發(fā)射電路2、 超聲波回波接收電路部分超聲波回波接收電路包括一級有源低通濾波電路、無限增益多路反饋二

15、階低通濾波器、回波二值化電路組成。當在超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號。當在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號。圖8 超聲波回波接收電路1）濾波電路部分設計 在超聲波回波接收電路中，本次仿真我們應用了一個一階有源低通濾波器和兩個無限增益多路反饋二階低通濾波器進行信號的濾波，將第一級低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取為41khz而第二級為39khz，通過兩級濾波最終獲得f=40khz（左右）的正弦波信號。在本次設計中，我們利用濾波器設計軟件對濾波器參數(shù)進行參數(shù)設置。 圖9 濾

16、波器參數(shù)設置2）二值化電路部分設計 在濾除干擾波形之后，采用了反向比較器的二值化電路，如圖11，其原理是在反向輸入端接入一個比較基準電壓，通過電阻分壓后得到基準電壓。然后利用濾波后的信號與其相比較，大于基準值輸出為負值，小于基準值輸出為正值。 圖10 二值化電路設計3） 超聲波回波接收電路兩種電路比較 為了能夠更好的達到實驗效果，我們借鑒資料設計了基于帶通濾波器的超聲波回波接收電路。這里，參數(shù)設計同時也是利用的濾波器設計軟件。 圖11 超聲波回波接收電路之二3、 protues軟件繪制的總體電路圖 為了使我們所設計的電路更具有可觀性，我們也利用課堂上學到的protues繪制仿真軟件將整體的電路

17、圖進行了繪制。圖12 總體電路圖5、 實驗結(jié)果分析 如圖12，為超聲波發(fā)射電路部分中應用555定時器發(fā)生的幅值在05v范圍內(nèi)的脈沖信號，并用虛擬示波器測得。通過multisim軟件仿真出來的數(shù)據(jù)結(jié)果，整體是比較滿意的，可以看出555定時器的仿真效果有達到我們預期。圖13 555定時器的仿真信號圖下列圖為由555定時器產(chǎn)生的脈沖信號經(jīng)過開關電路、升壓變壓電路等電路處理后的100v150v，f=40khz的一個近似正弦信號。但是在超聲波發(fā)生電路中的仿真我們可以看到有失真。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器的數(shù)值，我們可以看出如下變化：圖14 rv1=1k，超聲波發(fā)射電路輸出值變化圖15 rv1=10k，超聲波發(fā)射

18、電路輸出值變化 圖16 rv1=20k，超聲波發(fā)射電路輸出值變化 根據(jù)圖像我們可以得出通過調(diào)節(jié)rv1滑動變阻器的阻值，可以將輸出波形調(diào)節(jié)的更加平滑，用以滿足我們所需的實驗效果。通過進一步的探索我們可以了解到不僅僅是rv1滑動變阻器對輸出波形有影響，負載電阻r1以及震蕩電阻r2均會對輸出波形產(chǎn)生一定的影響。通過測試實驗我們可知，在保證輸出波形較為平滑和完整的情況下，可以將負載電阻r1和震蕩電阻r2取大一點，以滿足仿真的需要。圖17是經(jīng)過超聲波模擬器件接收到輸出vpp=60mv2v，f=40khz的回波。由圖可知，其幅值約為1.168v，滿足我們的預期實驗效果。證明發(fā)射部分仿真效果達到預期。圖17

19、 回波接收端信號 超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號，在本次仿真實驗中，我們用虛擬儀器模擬輸入一個滿足實驗要求的正弦信號，如圖17紅線所示，其中藍線為一級低通濾波后的信號（幅值約為1.477v），紫線為二級低通濾波后的信號（幅值約為2.397v），綠線為三級無限增益多路反饋低通濾波器濾波后的信號（幅值約為2.261v）。 通過圖像顯示，我們可以看出效果放大和濾波效果均可以達到我們的預期，因此濾波器的設計滿足我們的實驗需求。 圖18 各級濾波器信號效果 在二值化電路通過節(jié)點示波器采樣得到的信號圖（如下圖所示），我們可以看到其大致為一個三角波形，幅值在3.

20、458v4.074v之間。圖20 輸出信號效果圖 由輸入正弦波信號源信號與上圖信號比較我們可以看出，當在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號。圖21 超聲波回波接收電路輸出端信號與輸入端信號對比六、誤差分析 系統(tǒng)的誤差來源于多方面，由于系統(tǒng)使用了多傳感器進行檢測，因此，每一個器件的性能都會影響到總體結(jié)果的準確性，例如元件參數(shù)隨外界條件的變化而變化可能會導致系統(tǒng)的誤差。而系統(tǒng)工作方式也會帶來誤差，單片機的工作頻率有限，造成對信號的影響以及計數(shù)存在著延遲，這也是誤差產(chǎn)生的一個方面。 以上誤差是不可避免的，而電路設計以及算法本身也可能存在誤差，在設計過程中，努力減小因這種方式造成的誤差從而保證系統(tǒng)精確度是很重要的。七、實驗總結(jié) 通過本次實驗，我了解了基于超聲波傳感器的障礙物檢測電路仿真電路的基本構(gòu)成，基本了解了超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路以及各模塊和各傳感器的作用。在本次