超聲波測距電路的設(shè)計

1、2008級電子信息工程模擬數(shù)字電路課程設(shè)計報告書設(shè)計題目超聲波測距電路的設(shè)計姓 名學(xué) 號學(xué) 院物理與電子信息工程學(xué)院專 業(yè)電子信息工程班 級08.2指導(dǎo)教師2010年11月18日超聲波測距電路的設(shè)計一、設(shè)計題目及要求1、設(shè)計題目設(shè)計一用占空比表示距離的超聲波測距電路。2、設(shè)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(diào)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(chǎn)生40khz的超聲

2、波振蕩頻率，周期t=0.025ms，當(dāng)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(shù)：th1=0.69c12(r4+r3+vr1)放電時間常數(shù)：tl1=0.69c12(vr1+r3)由0.025ms=th1+tl1得出r3=8.9k，故vr1取為10k足以產(chǎn)生40khz振蕩頻率的超聲波。4.1.3 超聲波驅(qū)動電路此電路對超聲波起驅(qū)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(jīng)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(zhì)量，不至于產(chǎn)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(shù)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(dāng)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(shè)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(dāng)提高u5a比較器的門限轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(shù)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(gòu)成時間測量電路?？梢钥闯觯诎l(fā)出檢測脈沖時（a端為高電平），d端輸出高電平，當(dāng)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(shù)電路脈沖發(fā)生器計數(shù)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(shè)計在 17.2khz左右。這個頻率是根據(jù)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(shù)器顯示應(yīng)為100，即1m，此時計數(shù)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(yīng)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(diào)節(jié)范圍，這里用vr2,vr3進行調(diào)節(jié)，其中vr2為粗調(diào)電阻，vr3為精調(diào)電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數(shù)脈沖 這里簡單介紹一下計數(shù)器的清零及數(shù)據(jù)鎖存過程。a點波形即表現(xiàn)測試脈沖往返的時間，當(dāng)a點電位由低變高時，由于c15電壓不能突變，故b點會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖信號使計數(shù)器清零，同時ic3 內(nèi)與非門被打開，u6 開始通過clock腳計數(shù)；同樣當(dāng)a點電位由高變低時，由于c14電壓不能突變，故c點會

8、產(chǎn)生一個鎖存脈沖信號使計數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，同時ic3的有關(guān)與非門被關(guān)閉，u6開始停止計數(shù)，完成計數(shù)過程。4.2.5 計數(shù)顯示電路 1. 計數(shù)譯碼電路計數(shù)譯碼電路由集成塊mc14553與cd4511構(gòu)成，clk由4011的4腳引入，當(dāng)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(chǎn)生一個復(fù)位脈沖信號使計數(shù)器清零，同時4011內(nèi)與非門被打開,u6開始通過clock腳計數(shù)；當(dāng)p6點電位由高變低時，由于c14電壓不能突變，u6的14腳會產(chǎn)生一個鎖存脈沖信號使計數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，4011有關(guān)與非門關(guān)閉，u6(mc14453)停止計數(shù)，完成計數(shù)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(shù)碼顯示的led；測量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為x點xx米，同時還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個數(shù)。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(dāng)輸出低電平時，led顯示，q4導(dǎo)通，點亮最高位小數(shù)點，當(dāng)下一個脈沖低電平來臨時，掃描第二位數(shù)據(jù)，此時q4截止，小數(shù)點不亮，當(dāng)脈沖來臨掃描最低位數(shù)據(jù)時，小數(shù)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(shù)與實際測量距離，數(shù)據(jù)如下：led讀數(shù)（cm）324097101實測（cm）304098100led讀數(shù)（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(shè)計的制作中，我們學(xué)習(xí)到了很多東西，同時感覺到團隊意識是很重要的，應(yīng)用到了很多我們學(xué)過的東西，也讓那些知識用在了實踐中，如cad、數(shù)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(diào)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(xué)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(dǎo)老師幫我們調(diào)試后，宣布我們的設(shè)計成功時，我們的內(nèi)心是無比喜悅。在以后的學(xué)習(xí)過程中，我們一定會多加實踐的。勤學(xué)習(xí)，勤練習(xí)。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(shù)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