1.2超聲波測距儀的設(shè)計與調(diào)試-發(fā)射部分

1、超聲波傳感器的原理與應(yīng)用主講教師：湯旭慧Addr：行政樓509或二工業(yè)中心418Tel：或26731194Mail： 或超聲波測距儀的設(shè)計與調(diào)試發(fā)射局部超聲波傳感器的檢測方式超聲波測距儀的總體設(shè)計方案超聲波發(fā)射電路根本原理實訓(xùn)2：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試本系統(tǒng)中超聲波測距根本原理 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀、物位測量儀等。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能到達工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 在本系統(tǒng)中，我們主要應(yīng)用的是反射式檢測方式。即超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波

2、，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波后就立即停止計時。超聲波在空氣中傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s。 即：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。 超聲波測距儀的總體設(shè)計方案超聲波發(fā)射頭超聲波接收頭振蕩電路驅(qū)動電路波形變換選頻放大中央控制處理單元顯示輸出報警執(zhí)行單元鍵盤控制電源部分發(fā)射電路接收電路控制局部電源局部超聲波測距儀的總體設(shè)計方案 本系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、接收電路、控制局部及電源四局部組成。 控制局部是以單片機為核心的中央處理單元，除輸入/出模塊外，還設(shè)置了報警控制

3、和執(zhí)行單元。 單片機可以根據(jù)設(shè)定的工作方式，產(chǎn)生40kHz方波，經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號，與此同時，單片機開始計時。 接收端經(jīng)選頻后將收到的微弱回波信號檢出，送信號放大電路放大，經(jīng)輸出比較產(chǎn)生脈沖輸出送單片機中斷端，單片機收到中斷信號后停止計時，從而計算出距離值送顯示，或作為報警和執(zhí)行單元動作的依據(jù)，本系統(tǒng)可以滿足多領(lǐng)域的應(yīng)用。 本系統(tǒng)設(shè)計電源局部是將220V交流市電經(jīng)變壓、整流、濾波，再經(jīng)相關(guān)穩(wěn)壓電路輸出+5V，+12V, -12V等穩(wěn)定電壓輸出供傳感器工作。 本系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路。后續(xù)課程針對這兩局部分別進行重點論述。超聲波發(fā)射電路根本原理 超聲

4、波發(fā)射電路主要由振蕩電路、驅(qū)動電路和超聲波發(fā)射頭組成。振蕩電路產(chǎn)生超聲波傳感器工作需要的40KHz頻率信號。由于超聲波振子也有約2000PF的電容，有充放電電流流通，因此，采用驅(qū)動電路增大驅(qū)動電流，有效驅(qū)動超聲波振子發(fā)送超聲波。即使用方波進行驅(qū)動，由于振子的諧振作用，也變?yōu)檎也ㄟM行發(fā)送。 本系統(tǒng)的振蕩電路可以采用兩種方案：一種是利用555產(chǎn)生幅度和占空比可調(diào)的40KHz方波信號。另一種是利用單片機產(chǎn)生幅度和占空比可調(diào)的40KHz方波信號。 超聲波發(fā)射頭振蕩電路驅(qū)動電路基于555的超聲波發(fā)射電路振蕩電路局部驅(qū)動電路局部超聲波發(fā)射電路基于555的振蕩器 本電路中振蕩電路采用555工作于無穩(wěn)態(tài)工作

5、模式，在C9不斷的進行充、放電過程導(dǎo)致555時基電路處于置位與復(fù)位反復(fù)交替的狀態(tài)，即輸出端3腳交替輸出高電平與低電平，輸出波形為近似矩形波，此電路也稱為自激多諧振蕩器。此電路的具體工作原理在此不再贅述。但要注意：假設(shè)調(diào)整可調(diào)電阻VR1，可改變輸出矩形波的頻率和占空比。當(dāng)調(diào)整VR1使得輸出為40kHz時，由于VR1R17，輸出波形占空比約為50%，為近似理想對稱方波。555的強制復(fù)位端4腳由AVR單片機PB0引腳經(jīng)三極管工作于開關(guān)模式下進行驅(qū)動。當(dāng)PB0輸出低電平時，555處于無穩(wěn)態(tài)工作模式，產(chǎn)生40kHz方波信號。555時基電路根本特性引腳低觸發(fā)端（2腳）高觸發(fā)端（6腳）強制復(fù)位端（4腳）輸出

6、端（3腳）放電端（7腳）電平高低VDD/3任意高高（置位）懸空（置位）電平高低VDD/32VDD/3高低（復(fù)位）低（復(fù)位）電平高低VDD/32VDD/3高維持原電平不變與3腳相同電平高低任意任意低（0.4V）低低555時基振蕩電路工作原理 555無穩(wěn)態(tài)工作模式的根本電路如下圖。電路初次通電時，由于電容C1兩端電壓不能突變，555的2腳為低電平，555時基電路置位，即3腳輸出高電平，內(nèi)部放電晶體管截止，7腳被懸空，此時正電源VDD通過電阻R1、R2向電容C1充電，使C1兩端電壓不斷升高，約經(jīng)時間t1，C1兩端電壓即閾值端6腳電平升至2VDD/3時，555時基電路翻轉(zhuǎn)復(fù)位，3腳輸出低電平，同時內(nèi)部

7、放電晶體管導(dǎo)通，7腳也為低電平，此時電容C1儲存電荷將通過R2向7腳放電，使C1兩端電壓即555的觸發(fā)端2腳電平不斷下降，約經(jīng)t2時間，電壓降至VDD/3時，555時基電路又翻轉(zhuǎn)置位，3腳又輸出高電平，7腳再次被懸空，正電源又通過R1, R2向C2充電，如此周而復(fù)始，電容C2不斷處于充電與放電狀態(tài)，電路引起振蕩，3腳將交替輸出高電平和低電平。555時基振蕩電路工作原理 555時基振蕩電路輸出振蕩信號的頻率為：輸出脈沖占空比為：實訓(xùn)：如何設(shè)計一個555時基電路實現(xiàn)輸出頻率f為20K，占空比為60%的方波信號？超聲波發(fā)射電路基于CD4049的驅(qū)動器 本電路采用CMOS六反相器CD4049構(gòu)成驅(qū)動電

8、路，為了增大驅(qū)動電流，可以采用CD4049中兩個甚至三個方向器并聯(lián)的方式實現(xiàn)。為什么兩個反相器并聯(lián)就可以提高驅(qū)動能力？ 答案：此電路結(jié)構(gòu)稱為橋式驅(qū)動方式，由于傳感器具有高阻特性，其正常工作時需要一定的驅(qū)動電流，而每個反相器的輸出電流負載能力是一定的。兩個并聯(lián)，輸出電流加倍，驅(qū)動能力當(dāng)然提高啦！ 超聲波發(fā)射電路基于CD4049的驅(qū)動器問題：左圖的驅(qū)動方式是否合理，它與前續(xù)推薦的電路圖有何不同？ 實訓(xùn)2：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試實訓(xùn)目的：理解555振蕩電路的工作原理和調(diào)試技巧。理解CD4049驅(qū)動電路的工作原理。實訓(xùn)條件： 超聲波發(fā)射電路板及配套元件一套、超聲波接收電路板光板及接收頭，直流穩(wěn)壓電

9、源一臺，示波器一臺，直尺一把。 實訓(xùn)2：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試實訓(xùn)方法：一、555時基振蕩電路設(shè)計與制作： 實訓(xùn)要求：設(shè)計一個無穩(wěn)態(tài)工作模式的555時基振蕩電路，要求輸出一個頻率f為20KHz，占空比為60%的方波信號。參考電路如右圖所示：步驟1：根據(jù)555時基振蕩電路的根本工作原理，計算相關(guān)參數(shù)值。主要計算R1和R2的值。步驟2：依據(jù)參考電路制作電路板，調(diào)試電路板使之工作正常，用示波器測試電路輸出是否符合預(yù)定要求。 實訓(xùn)2：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試實訓(xùn)方法：一、設(shè)置實驗環(huán)境：步驟1：要求學(xué)生按照發(fā)射電路的電路圖將配套元件焊接到發(fā)射電路板上，并連好線。注意依據(jù)“PCB設(shè)計中存在的問題文檔

10、中提示修正電路板。步驟2：將電路板上的PB0/XCK/T0測試點插針用排線短接到地，將直流穩(wěn)壓電源輸出+5V電源信號到發(fā)射電路板上。用示波器測試555的3腳，應(yīng)該得到一個峰峰值約為5V的矩形波信號；調(diào)節(jié)VR1使頻率可在30K49K范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)整的矩形波信號，輸出確認信號頻率輸出情況。步驟3：將傳感器接收頭焊接到超聲波接收電路板光板上，將示波器的接地端子和信號端子分別連接超聲波傳感器接收頭的兩個輸出引腳。步驟4：固定發(fā)射頭與接收頭的間距為10cm，并將發(fā)射頭對準接收頭，準備測試接收頭接收超聲波后產(chǎn)生的同頻信號電壓。實訓(xùn)2：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試直流穩(wěn)壓電源示波器發(fā)射頭接收頭TR振蕩電路驅(qū)動電路+5VGND超聲波發(fā)射電路探頭 實訓(xùn)2：超聲波發(fā)射電路的制作與調(diào)試二、測試本實訓(xùn)系統(tǒng)的幅頻特性：步驟1：通過調(diào)節(jié)VR1，使得555的3腳輸出矩形波信號頻率在30K49K范圍內(nèi)變化，從而實現(xiàn)產(chǎn)生不同頻率信號不同占空比來驅(qū)動發(fā)射頭。用示波器觀察超聲波接收頭的輸出信號波形，記下 的值。請按照如下表格設(shè)置的頻率數(shù)據(jù)要求進行測試，總計測試30對數(shù)據(jù)。注意：要求測試每對數(shù)據(jù)時，一定要首先用示波器準確調(diào)試輸出的準確的頻率信號后，再驅(qū)動發(fā)射頭，測試接收頭產(chǎn)生的同頻信號電壓 。實訓(xùn)作業(yè)1：分析30對記錄數(shù)據(jù)，繪制輸出f 關(guān)系曲線，得出超聲波傳感器幅頻特性結(jié)論。實訓(xùn)2：超聲波發(fā)射電路的制作