超聲波測距電路的設計

1、2008級電子信息工程模擬數字電路課程設計報告書設計題目超聲波測距電路的設計姓 名學 號學 院物理與電子信息工程學院專 業(yè)電子信息工程班 級08.2指導教師2010年11月18日超聲波測距電路的設計一、設計題目及要求1、設計題目設計一用占空比表示距離的超聲波測距電路。2、設計要求（1）基本要求測量距離：3m；測量盲區(qū)：30cm；誤差：3m；測量盲區(qū)：30cm；誤差：58.8ms振蕩頻率f=1/(th+tl)=14.29hz4.1.2 超聲波載波信號發(fā)生器u2組成超聲波載波信號發(fā)生器，由u1輸出的脈沖信號控制。通過vr1調節(jié)載波信號發(fā)生器的頻率與占空比，c12為充放電電容。要產生40khz的超聲

2、波振蕩頻率，周期t=0.025ms，當r4=1.5k,r3=8.2k時，確定電位器vr1的取值。條件: ra =1.5k、 rb=15k、 c=1000pf 條件: r4=1.5k、 r3=8.2k、 c=1000pf充電時間常數：th1=0.69c12(r4+r3+vr1)放電時間常數：tl1=0.69c12(vr1+r3)由0.025ms=th1+tl1得出r3=8.9k，故vr1取為10k足以產生40khz振蕩頻率的超聲波。4.1.3 超聲波驅動電路此電路對超聲波起驅動作用，以致能夠使超聲波發(fā)射頭能夠發(fā)射出超聲波，其中，c2起濾波作用。 4.2 超聲波接收電路4.2.1 超聲波信號檢測與

3、放大超聲波接收頭和u5組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經u5的2級放大1000倍（60db），第1級放大100倍（40db），第2級放大10倍（20db）。 由于一般的運算放大器需要正、負對稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9v）供電，為保證其可靠工作，這里用 r17和r18進行分壓,這時在u5的同相端有4.5v的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質量，不至于產生信號失真。c10、d1、d2、c11 組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至u5進行處理。 4.2.2 信號比較電路 ic2、ic3、u6、u7、u8組成信號比較、測量、計數和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出

4、的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下面分析其工作原理。由r21、vr3、r22、u5a組成信號比較器。其中 vrf = (r22 x vcc)/(r21 + r22+vr3) = (16k x 9v)/(20k + 16k) = 0.4v 所以當2點（u5a 的反相端）過來的脈沖信號電壓高于 0.4v時，1點電壓將由高電平1到低電平0。同時注意到在u5a的同相端接有電容c19和r22，這是用來防止誤檢測而設置的。在實際測量時，在測距儀的周圍會有部分發(fā)出的超聲波直接進入接收頭而形成誤檢測。為避免這種情況發(fā)生，這里用d3直接引入檢測脈沖來適當提高u5a比較器的門限轉換

5、電壓，并且這個電壓由c19保持一段時間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時，由于d3的作用使ic5的門限轉換電壓也隨之被提高，并且由于 c19的放電保持作用，可防止這時由于測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當測量距離小到一定程度時，由于r22及c19的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響。圖示參數的最小測量距離在40cm左右。減小 c19的容量，在環(huán)境溫度為 20 時可做到30cm測量最短距離。此時其放電時間為1.75ms。ic3組成r-s觸發(fā)器構成時間測量電路?？梢钥闯?，在發(fā)出檢測脈沖時（a端為高電平），d端輸出高電平，當收到反射回來的檢測脈沖時，c端由高變低，此時d端變?yōu)榈碗娖?，?/p>

6、輸出端d的高電平時間即為測試脈沖往返時間。4.2.3 時間測量電路4.2.4 計數電路脈沖發(fā)生器計數和顯示電路由ic2、u6、u7、u8，其工作頻率f = 1/(2.2 x c x r)。電路頻率設計在 17.2khz左右。這個頻率是根據聲波在環(huán)境溫度為20 時的傳播速度為340m/s確定的。我們知道在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變。測量距離為1m的物體時，聲波的往返時間為：2m/340(m/s)=5.88ms。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發(fā)生器的頻率f100/(5.8810-3)=17(khz)。如電容c為2200pf，此時電阻 r = 1/(2.2 x c

7、 x f) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12x 17 x 103) = 12k 由于在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會不同，為適應不同環(huán)境溫度下測量的需要，我們要求電阻r具有一定的調節(jié)范圍，這里用vr2,vr3進行調節(jié)，其中vr2為粗調電阻，vr3為精調電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數脈沖 這里簡單介紹一下計數器的清零及數據鎖存過程。a點波形即表現測試脈沖往返的時間，當a點電位由低變高時，由于c15電壓不能突變，故b點會產生一個復位脈沖信號使計數器清零，同時ic3 內與非門被打開，u6 開始通過clock腳計數；同樣當a點電位由高變低時，由于c14電壓不能突變，故c點會

8、產生一個鎖存脈沖信號使計數器數據被鎖存，同時ic3的有關與非門被關閉，u6開始停止計數，完成計數過程。4.2.5 計數顯示電路 1. 計數譯碼電路計數譯碼電路由集成塊mc14553與cd4511構成，clk由4011的4腳引入，當p6即4011的10腳電位由低變高時，由于c15電壓不能突變，4069的8腳會產生一個復位脈沖信號使計數器清零，同時4011內與非門被打開,u6開始通過clock腳計數；當p6點電位由高變低時，由于c14電壓不能突變，u6的14腳會產生一個鎖存脈沖信號使計數器數據被鎖存，4011有關與非門關閉，u6(mc14453)停止計數，完成計數過程。2. led顯示電路led顯

9、示電路由u8，q1,q2,q3,q4等組成，顯示模塊是一個8位段數碼顯示的led；測量結果的顯示用到三位數字段碼，格式為x點xx米，同時還用兩位數字段碼顯示數據的個數。c21用于控制顯示部分的刷新頻率，u6的1腳，2腳，15腳為掃描輸出，當輸出低電平時，led顯示，q4導通，點亮最高位小數點，當下一個脈沖低電平來臨時，掃描第二位數據，此時q4截止，小數點不亮，當脈沖來臨掃描最低位數據時，小數點不亮。4.3 電源電路在電源電路中，接入12v電壓，通過d6整流，c18,c7濾波及l(fā)7809穩(wěn)壓之后輸出9v穩(wěn)定電壓接入到電路中。五、輸出波形六、 測試方法與儀器5.1 測試儀器：示波器，萬用表，皮尺5

10、.2 測試方法在一個寬敞的地方，將超聲波測距電路板放在凳子上，一個大紙箱，讀出led讀數與實際測量距離，數據如下：led讀數（cm）324097101實測（cm）304098100led讀數（cm）196292397494實測（cm）202300400500由測試及表得出盲區(qū)為30cm，最大測量距離為500cm。七、 心得體會在這次的課程設計的制作中，我們學習到了很多東西，同時感覺到團隊意識是很重要的，應用到了很多我們學過的東西，也讓那些知識用在了實踐中，如cad、數字電路等很多知識。在制作超聲波測距電路的過程中，由于我們是第一次做，遇到了很多困難，在整個制作過程中，真的是困難重重，如用cad

11、繪制原理圖，打印版子，調試，理解原理等。在這個過程中，我們忙碌過，勞累過，但同時我們學到了很多制作電路板的知識，繪制原理圖，pc板的布線，鉆孔等。在輔導老師幫我們調試后，宣布我們的設計成功時，我們的內心是無比喜悅。在以后的學習過程中，我們一定會多加實踐的。勤學習，勤練習。八、附件附件1. 電路圖附件2 pcb排版元件清單類型part type個數footprint電容0.1u7rad0.2100u3rb.2/.41000u1rb.2/.40.01u3rad0.210u1rad0.21000p6rad0.20.056u1rad0.22200p1rad0.2電阻1.5k1axial0.31k8axial0.38.2k1axial0.310k10axial0.310k1sip310m1axial0.316k1axial0.320k1sip3100k4axial0.3150k1axial0.3200k1sip3300k1axial0.31m2axial0.3二極管1n41485di