溫州大學(xué)城市學(xué)院課程設(shè)計 超聲波測距傳感器課程設(shè)計

1、傳 感 器 課 程 設(shè) 計 報 告題目: 超聲波測距 班級: 06電子本1 學(xué) 號: 0651035152 姓 名: 汪曉軍 指導(dǎo)老師: 郭必廣 王岸東 日 期: 2009年6月10日 課程設(shè)計目的 傳感器技術(shù)課程是一門綜合性和實踐性很強的課程。課程設(shè)計的目的是把教材、課堂教學(xué)以及相關(guān)課程知識和技術(shù)綜合運用，以達到鞏固消化課程內(nèi)容，進一步加強綜合應(yīng)用能力及整機系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計能力的訓(xùn)練，啟發(fā)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生獨立開發(fā)產(chǎn)品和科研的能力。一、 設(shè)計任務(wù)超聲波測距被廣泛應(yīng)用在汽車倒車雷達，機器人智能檢測等場合。利用所學(xué)的傳感器器技術(shù)、數(shù)電和模電的知識設(shè)計一種超聲波測距儀，具體要求如下： 基本要求：（同

2、時希望同學(xué)們針對此次設(shè)計內(nèi)容有針對性的復(fù)習(xí)相關(guān)的課程知識）1、 具有連續(xù)測量功能；2、 測量范圍40cm400cm，采用3位數(shù)碼管顯示；3、 測量誤差3cm。發(fā)揮部分：4、 測量范圍30cm600cm；5、 測量誤差2cm；6、 增加手動測距功能即按一次按鈕測量一次距離；7、 *考慮空氣溫度對超聲波在空氣中傳播速度影響，設(shè)計溫度校準電路并予以實施；8、 *采用單片機自行設(shè)計電路原理圖及程序和框圖，制作實物。二、 設(shè)計提示1、 超聲波測距理論依據(jù)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，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就立即停止計時。超聲波

3、在空氣中的傳播速度為340m/s（約14oc時340m/s；注：溫度效應(yīng)，c331.50.607t，t攝氏溫度值），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。圖1：超聲波測距原理框圖2、總體設(shè)計思路如圖1所示測距電路由邏輯控制電路、發(fā)射電路、接收電路、計數(shù)顯示電路、標準振蕩電路5個部分組成。邏輯控制電路應(yīng)具有以下過程的控制功能。圖2：測距儀工作時序圖測距工作過程：a點：控制電路啟動發(fā)射，同時清零計數(shù)器開始計數(shù)；b段：計數(shù)器計數(shù)，超聲波在空氣中傳播，未被反射到接收頭；c點：超聲波反射到接收頭，控制電路停止計數(shù)且保持計數(shù)值；d段

4、：保持顯示被測量的數(shù)值。（d段的時間可以是0.5s1s）。三、各部分電路介紹及設(shè)計參考電路1、發(fā)射電路 發(fā)射電路如圖3所示包括40khz振蕩電路、控制電路、功率驅(qū)動電路、升壓電路和發(fā)射頭組成。cd4069（u1a）、40khz的晶振（y1）、兩個磁片100pf電容（c9、c10）及10m電阻r19構(gòu)成晶體振蕩電路，提供穩(wěn)定的40khz頻率的振蕩源。功率驅(qū)動部分采用3各并聯(lián)的非門提高輸出電流驅(qū)動q4和q5組成的推挽電路，推挽電路通過c12耦合到自耦升壓變壓器t1,t1驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射40khz超聲波。啟動發(fā)射端（二級管陰極）高電平時發(fā)射，低電平時停止發(fā)射，接控制電路的啟動輸出端。 圖3：發(fā)射

5、電路圖2、 接收電路 圖4：接收電路接收電路通過兩級由tl082構(gòu)成的反相放大電路，輸出接控制電路輸入端告訴控制電路已接收到超聲波停止計數(shù)并保持顯示，其中r4、r7構(gòu)成的直流分壓電路給控制電路的cd40106提供帶有一定直流分量的高電平，提高接收靈敏度。3、顯示和振蕩計數(shù)電路如圖5顯示電路由共陽數(shù)碼管、7段譯碼器cd4543和3位bcd碼計數(shù)器mc14553構(gòu)成，具體工作原理看附件器件部分。計數(shù)源由cd40106、c11、r8和rp1構(gòu)成的振蕩器提供，調(diào)節(jié)rp1使振蕩器輸出頻率為17khz。 圖5：顯示和計數(shù)電路 4、 邏輯控制電路邏輯控制電路包含，連續(xù)測量振蕩時基電路（u2a構(gòu)成的振蕩器約為

6、1s），通過rc構(gòu)成的微分電路，在u2a2腳下降沿時u2b4腳產(chǎn)生高電平脈沖，啟動發(fā)射、清零計數(shù)器、復(fù)位d觸發(fā)器（cd4013）,開始計數(shù)。當接收到信號時接收輸入端（set）出現(xiàn)低電平通過cd40106取反輸出高電平使d觸發(fā)器置位，鎖存計數(shù)器顯示得到測量值。其中d2、r28、c14、u2c和d3構(gòu)成的延時電路屏蔽接收端一定時間，避免發(fā)射超聲波時未經(jīng)過障礙物而直接從發(fā)射頭發(fā)射超聲波到接收頭造成的無法測量距離。圖6：邏輯控制電路圖7：超聲波測距整體電路圖 四、改良（包括提高穩(wěn)定性、準確度、擴大測量范圍等）第一次把電路焊好，連上電源，并沒有和預(yù)想的一樣有反應(yīng)。這時，只好慢慢改良電路了，總的方法有三種

7、，第一是用數(shù)字電流表測試電路的通路情況，這種方法雖然原理簡單，確實最耗時的，因為每兩個點都要測過來；第二種方法，測波形，電路分為4個部分，測每個部分的波形，而我卻是用第三種方法；也就是把電路對著實驗圖，一個一個元件的找，看是否有焊多了元件或是少掉了，而最后的結(jié)果也是這樣，我找到了兩個地方，是元件焊接錯誤了，當我把對的元件放上去的時候，奇跡出現(xiàn)了，顯示器上活蹦亂跳的出來了很多的數(shù)字，ok，成功了。接下來，為了提高準確度和測量范圍，我改了電路的兩個地方。第一是在r28上并聯(lián)了一個100k的電阻，使測量的范圍從原來的60-450cm，變到30-225cm；第二是在r8上串聯(lián)了一個4k7的電阻，我的目

8、的是為了使頻率變小。五、設(shè)計調(diào)試要點器件介紹1、超聲波傳感器a、基本結(jié)構(gòu)及原理 如圖1所示，超聲波傳感器由壓電晶片、錐形共振盤、金屬絲網(wǎng)罩、外殼及引線端子構(gòu)成。其中壓電晶片是核心部分，錐形共振盤使 圖9：超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)射和接收能量集中，并且使傳感器有一定的指向角。由于壓電晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率f0 ，發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有頻率一致；接收時也同樣要一致。這樣，超聲波傳感器的靈敏度才較高。b、超聲波傳感器頻率特性（f040khz）圖10：靈敏度圖11：聲壓六、心得 通過這次實驗，更加明白了超聲波測距儀的原理和操作過程，把所學(xué)過的傳感器器技術(shù)、數(shù)電和模電的知識再復(fù)習(xí)了一遍，當我耐心地把所有元件都焊接好了，就急著把電源接上去調(diào)試了，讓我失望的事情發(fā)生了，出現(xiàn)了很多同學(xué)出現(xiàn)的888狀態(tài)。后來我就對著原理圖，又細心地檢查了一遍，最后發(fā)現(xiàn)有一個電阻的接線沒連上，接上之后，經(jīng)