基于超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、-. z.智能儀器儀表設(shè)計(jì)根底課程設(shè)計(jì)報(bào)告單 位：學(xué)生*：專 業(yè)：班 級(jí)：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：成 績(jī)：設(shè)計(jì)時(shí)間：2013 年 5月指導(dǎo)教師提供的設(shè)計(jì)題目和要求設(shè)計(jì)題目：基于超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路仿真設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)條件：仿真軟件可用Multisim10軟件或者saber軟件。超聲波傳感器詳細(xì)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(40KHz)使用溫度*圍：-35+8

2、0儲(chǔ)藏溫度*圍：-40+85設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩局部。超聲波發(fā)射電路包括升壓鼓勵(lì)模塊。超聲波回波接收電路包括一級(jí)帶通濾波電路、二級(jí)帶通電路、回波二值化電路組成。當(dāng)在超聲波發(fā)射電路輸入端輸入VPP=5V，Vmin=0V的方波信號(hào)時(shí)，超聲波發(fā)射電路輸出端能輸出VPP=100V150V，f=40KHZ的一個(gè)鼓勵(lì)信號(hào)。當(dāng)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(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號(hào)。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。附加要求：請(qǐng)用虛擬儀器顯示各個(gè)電路模塊

3、輸入端信號(hào)及輸出端信號(hào)參考書目胡向東，*京誠(chéng)，余成波等編著，傳感器與檢測(cè)技術(shù)機(jī)械工業(yè)，20092 *國(guó)雄主編 測(cè)控電路 機(jī)械工業(yè)，第4版摘要 本次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩局部。超聲波發(fā)射電路包括升壓鼓勵(lì)模塊。超聲波回波接收電路包括一階低通濾波電路、二級(jí)低通電路、回波二值化電路組成。在本次應(yīng)用Multisim10軟件仿真實(shí)驗(yàn)過程中我們用555定時(shí)器產(chǎn)生了05V的方波鼓勵(lì)信號(hào)，并通過升壓鼓勵(lì)電路最終能輸出VPP=100V150V，f=40KHZ的一個(gè)鼓勵(lì)信號(hào)。而當(dāng)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(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出

4、端能輸出電平信號(hào)。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。二、相關(guān)電路概述及原理簡(jiǎn)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(dòng)超聲波傳感器的脈沖電壓幅值，有效地進(jìn)展電聲轉(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(hào)。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 dB帶寬1 kHz。驅(qū)動(dòng)電壓峰一峰值要求60150 V。CD4052是雙路四選一模擬開關(guān)，

5、單片機(jī)的P34和P35端口輸出選通信號(hào)，單片機(jī)的P33端口輸出一串40 kHz的脈沖電壓，通過CD4052的*路加到選通的開關(guān)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(dòng)超聲波傳感器EFR40RS發(fā)射超聲波。發(fā)射時(shí)的脈沖電壓幅值大小直接影響測(cè)距的遠(yuǎn)近，應(yīng)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(jí)的一串脈沖電信號(hào)。由于回波電信號(hào)的幅值小，VD3和VD4二極管截止，該信號(hào)不會(huì)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(hào)經(jīng)R1和C1，通過CD4052的Y路送到超聲波電信號(hào)放大與整形電路。R1和VD1，VD2組成

6、雙向限幅電路，防止發(fā)射時(shí)的大信號(hào)造成超聲波放大與整形電路阻塞，甚至損壞電路。 2、555定時(shí)器 555定時(shí)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(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555定時(shí)器的電源電壓*圍寬，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，輸出驅(qū)動(dòng)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(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路如下圖：圖中電容C、電阻R1和R2作為振蕩器的定時(shí)元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬

7、度。定時(shí)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下圖，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(shí)器狀態(tài)為1，輸出Vo為高電平。同時(shí)，集電極輸出端7腳對(duì)地?cái)嚅_，電源Vcc對(duì)電容C充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)I，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間取決于RC充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，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(shí)間，即輸出Vo的負(fù)向脈沖寬度T20 .7R2C。.

8、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，假設(shè)使R2R1，則D1/2，即輸出信號(hào)的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波方波。電容器C放電所需的時(shí)間為：tPL=R*ln20.7*R；當(dāng)C放電完畢時(shí)，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(shí)間為:tPH=(R1+R2)*C*ln20.7*(R1+R2)*C；當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到了一個(gè)周期性的方波，其頻率：

9、f=1/(tPL+tPH)1.43/(R1+2*R2)*C 555定時(shí)器本錢低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)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(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555定時(shí)器內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比擬器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電管T及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓VCC /3 和 2VCC /3。本次仿實(shí)驗(yàn)中我們將利用555定時(shí)器構(gòu)成的多協(xié)振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。如圖4所示。圖4 555定時(shí)器構(gòu)成的多協(xié)振蕩器參考圖多諧振蕩器應(yīng)用舉例：A.模擬聲響發(fā)生器：將兩個(gè)多諧振蕩器連接起來，前一個(gè)振蕩器

10、的輸出接到后一個(gè)振蕩器的復(fù)位端，后一個(gè)振蕩器的輸出接到揚(yáng)聲器上。這樣，只有當(dāng)前一個(gè)振蕩器輸出高電平時(shí)，才驅(qū)動(dòng)后一個(gè)振蕩器振蕩,揚(yáng)聲器發(fā)聲；而前一個(gè)振蕩器輸出低電平時(shí)，導(dǎo)致后面振蕩器復(fù)位并停頓震蕩,此時(shí)揚(yáng)聲器無(wú)音頻輸出。因此從揚(yáng)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(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器中，假設(shè)定時(shí)器控制輸入端5腳不經(jīng)電容接地，而是外加一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)了將輸入電壓大小轉(zhuǎn)換成輸出頻率上下的電壓頻

11、率轉(zhuǎn)換器的功能。3、低通濾波器 濾波器的工作原理是當(dāng)信號(hào)與噪聲分布在不同的頻帶中時(shí)，利用濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)有不同的衰減特點(diǎn)，從頻率域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)別離。本次試驗(yàn)中采用無(wú)限增益多路反應(yīng)型濾波電路，它是一個(gè)由賦以多路反應(yīng)的理論上具有無(wú)限增益的運(yùn)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(yùn)算放大器構(gòu)成的無(wú)限增益多路反應(yīng)二階低通濾波電路的根本構(gòu)造。無(wú)限增益多路反應(yīng)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(wú)限增益多路反應(yīng)低通濾波器公式1三、超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì)思路本次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩局部。根據(jù)超聲波傳感器相關(guān)資料我們了解到

12、，超聲波傳感器的工作電壓是在100V150V，在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，我們利用一個(gè)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(shí)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(shí)也會(huì)接收到一個(gè)60mV2V左右的信號(hào)作為反應(yīng)信號(hào)，但由于信號(hào)幅值較小同時(shí)包含噪聲，我們需要首先對(duì)其濾波放大。其次，由于設(shè)計(jì)需要，我們需要將該信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻品讲ㄐ盘?hào)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射電路包括升壓鼓勵(lì)模塊以及555定時(shí)器方波發(fā)生器模塊，而超聲波回波接收電路包括一級(jí)低通濾波電路、二級(jí)低通電路、回波二值化電路模塊。 當(dāng)在超聲波發(fā)射電路輸入端利用5

13、55定時(shí)器方波發(fā)生器輸入VPP=5V，Vmin=0V的方波信號(hào)時(shí)，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(gè)輸出信號(hào)。另外，在本次試驗(yàn)中我們利用一個(gè)2nF的電容代替超聲波傳感器，因此，在輸出端輸出100V150V信號(hào)時(shí)，在另外的超聲波回波電路輸入端會(huì)接收到一個(gè)VPP=60mV2V，f=40KHZ的信號(hào)。當(dāng)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(hào)時(shí)，我們利用兩級(jí)低通濾波器進(jìn)展濾波，得到所需要的波段。然后利用比擬器進(jìn)展二值化處理，當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)

14、。超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路實(shí)際設(shè)計(jì)1、 超聲波發(fā)射電路局部在本次應(yīng)用Multisim10軟件仿真設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，我們用555定時(shí)器產(chǎn)生05V的方波，并通過變壓器升壓鼓勵(lì)模塊將方波升壓為100V150V，f=40KHZ的一個(gè)輸出信號(hào)，然后通過輸出端輸出一個(gè)正弦信號(hào)。555定時(shí)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(shí)器電路圖6 超聲波發(fā)射電路2、 超聲波回波接收電路局部超聲波回波接收電路包括一級(jí)有源低通濾波電路、無(wú)限增益多路反應(yīng)二階低通濾波器、回波二值化電路組成。當(dāng)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(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出

15、電平信號(hào)。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。圖8 超聲波回波接收電路1濾波電路局部設(shè)計(jì) 在超聲波回波接收電路中，本次仿真我們應(yīng)用了一個(gè)一階有源低通濾波器和兩個(gè)無(wú)限增益多路反應(yīng)二階低通濾波器進(jìn)展信號(hào)的濾波，將第一級(jí)低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取為41khz而第二級(jí)為39khz，通過兩級(jí)濾波最終獲得f=40KHZ左右的正弦波信號(hào)。在本次設(shè)計(jì)中，我們利用濾波器設(shè)計(jì)軟件對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)展參數(shù)設(shè)置。 圖9 濾波器參數(shù)設(shè)置2二值化電路局部設(shè)計(jì) 在濾除干擾波形之后，采用了反向比擬器的二值化電路，如圖11，其原理是在反向輸入端接入一個(gè)比擬基準(zhǔn)電壓，通過電阻分壓后得到

16、基準(zhǔn)電壓。然后利用濾波后的信號(hào)與其相比擬，大于基準(zhǔn)值輸出為負(fù)值，小于基準(zhǔn)值輸出為正值。圖10 二值化電路設(shè)計(jì)超聲波回波接收電路兩種電路比擬 為了能夠更好的到達(dá)實(shí)驗(yàn)效果，我們借鑒資料設(shè)計(jì)了基于帶通濾波器的超聲波回波接收電路。這里，參數(shù)設(shè)計(jì)同時(shí)也是利用的濾波器設(shè)計(jì)軟件。圖11 超聲波回波接收電路之二Protues軟件繪制的總體電路圖為了使我們所設(shè)計(jì)的電路更具有可觀性，我們也利用課堂上學(xué)到的Protues繪制仿真軟件將整體的電路圖進(jìn)展了繪制。圖12 總體電路圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 如圖12，為超聲波發(fā)射電路局部中應(yīng)用555定時(shí)器發(fā)生的幅值在05V*圍內(nèi)的脈沖信號(hào)，并用虛擬示波器測(cè)得。通過Multisim軟件

17、仿真出來的數(shù)據(jù)結(jié)果，整體是比擬滿意的，可以看出555定時(shí)器的仿真效果有到達(dá)我們預(yù)期。圖13 555定時(shí)器的仿真信號(hào)圖以下圖為由555定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過開關(guān)電路、升壓變壓電路等電路處理后的100V150V，f=40KHZ的一個(gè)近似正弦信號(hào)。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(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)效果。通過進(jìn)

18、一步的探索我們可以了解到不僅僅是RV1滑動(dòng)變阻器對(duì)輸出波形有影響，負(fù)載電阻R1以及震蕩電阻R2均會(huì)對(duì)輸出波形產(chǎn)生一定的影響。通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(fù)載電阻R1和震蕩電阻R2取大一點(diǎn)，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(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。證明發(fā)射局部仿真效果到達(dá)預(yù)期。圖17 回波接收端信號(hào) 超聲波回波接收電路輸入端輸出VPP=60mV2V，f=40KHZ的正弦波信號(hào)，在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，我們用虛擬儀器模擬輸入一個(gè)滿足實(shí)驗(yàn)要求的正弦信號(hào)，如圖17紅線所示，

19、其中藍(lán)線為一級(jí)低通濾波后的信號(hào)幅值約為1.477v，紫線為二級(jí)低通濾波后的信號(hào)幅值約為2.397v，綠線為三級(jí)無(wú)限增益多路反應(yīng)低通濾波器濾波后的信號(hào)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到達(dá)我們的預(yù)期，因此濾波器的設(shè)計(jì)滿足我們的實(shí)驗(yàn)需求。圖18 各級(jí)濾波器信號(hào)效果 在二值化電路通過節(jié)點(diǎn)示波器采樣得到的信號(hào)圖如以下圖所示，我們可以看到其大致為一個(gè)三角波形，幅值在3.458v4.074v之間。圖20 輸出信號(hào)效果圖 由輸入正弦波信號(hào)源信號(hào)與上圖信號(hào)比擬我們可以看出，當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。圖21 超

20、聲波回波接收電路輸出端信號(hào)與輸入端信號(hào)比照六、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(jìn)展檢測(cè)，因此，每一個(gè)器件的性能都會(huì)影響到總體結(jié)果的準(zhǔn)確性，例如元件參數(shù)隨外界條件的變化而變化可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的誤差。而系統(tǒng)工作方式也會(huì)帶來誤差，單片機(jī)的工作頻率有限，造成對(duì)信號(hào)的影響以及計(jì)數(shù)存在著延遲，這也是誤差產(chǎn)生的一個(gè)方面。 以上誤差是不可防止的，而電路設(shè)計(jì)以及算法本身也可能存在誤差，在設(shè)計(jì)過程中，努力減小因這種方式造成的誤差從而保證系統(tǒng)準(zhǔn)確度是很重要的。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)通過本次實(shí)驗(yàn)，我了解了基于超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路仿真電路的根本構(gòu)成，根本了解了超聲波發(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。在本次的實(shí)驗(yàn)中，我