超声波测距电路的设计.doc

2008级电子信息工程模拟数字电路课程设计报告书设计题目超声波测距电路的设计姓 名学 号学 院物理与电子信息工程学院专 业电子信息工程班 级08.2指导教师2010年11月18日超声波测距电路的设计一、设计题目及要求1、设计题目设计一用占空比表示距离的超声波测距电路。2、设计要求（1）基本要求测量距离：3m；测量盲区：30cm；误差：3m；测量盲区：30cm；误差：58.8ms振荡频率f=1/(th+tl)=14.29hz4.1.2 超声波载波信号发生器u2组成超声波载波信号发生器，由u1输出的脉冲信号控制。通过vr1调节载波信号发生器的频率与占空比，c12为充放电电容。要产生40khz的超声波振荡频率，周期t=0.025ms，当r4=1.5k,r3=8.2k时，确定电位器vr1的取值。条件: ra =1.5k、 rb=15k、 c=1000pf 条件: r4=1.5k、 r3=8.2k、 c=1000pf充电时间常数：th1=0.69c12(r4+r3+vr1)放电时间常数：tl1=0.69c12(vr1+r3)由0.025ms=th1+tl1得出r3=8.9k，故vr1取为10k足以产生40khz振荡频率的超声波。4.1.3 超声波驱动电路此电路对超声波起驱动作用，以致能够使超声波发射头能够发射出超声波，其中，c2起滤波作用。 4.2 超声波接收电路4.2.1 超声波信号检测与放大超声波接收头和u5组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经u5的2级放大1000倍（60db），第1级放大100倍（40db），第2级放大10倍（20db）。 由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9v）供电，为保证其可靠工作，这里用 r17和r18进行分压,这时在u5的同相端有4.5v的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。c10、d1、d2、c11 组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至u5进行处理。 4.2.2 信号比较电路 ic2、ic3、u6、u7、u8组成信号比较、测量、计数和显示电路，即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。它是超声波测距电路的核心，下面分析其工作原理。由r21、vr3、r22、u5a组成信号比较器。其中 vrf = (r22 x vcc)/(r21 + r22+vr3) = (16k x 9v)/(20k + 16k) = 0.4v 所以当2点（u5a 的反相端）过来的脉冲信号电压高于 0.4v时，1点电压将由高电平1到低电平0。同时注意到在u5a的同相端接有电容c19和r22，这是用来防止误检测而设置的。在实际测量时，在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测。为避免这种情况发生，这里用d3直接引入检测脉冲来适当提高u5a比较器的门限转换电压，并且这个电压由c19保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于d3的作用使ic5的门限转换电压也随之被提高，并且由于 c19的放电保持作用，可防止这时由于测脉冲自身的干扰而形成的误检测。由以上可知，当测量距离小到一定程度时，由于r22及c19的防误检测作用，其近距离测量会受到影响。图示参数的最小测量距离在40cm左右。减小 c19的容量，在环境温度为 20 时可做到30cm测量最短距离。此时其放电时间为1.75ms。ic3组成r-s触发器构成时间测量电路。可以看出，在发出检测脉冲时（a端为高电平），d端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，c端由高变低，此时d端变为低电平，故输出端d的高电平时间即为测试脉冲往返时间。4.2.3 时间测量电路4.2.4 计数电路脉冲发生器计数和显示电路由ic2、u6、u7、u8，其工作频率f = 1/(2.2 x c x r)。电路频率设计在 17.2khz左右。这个频率是根据声波在环境温度为20 时的传播速度为340m/s确定的。我们知道在不同的环境温度下，声波的传播速度会有所改变。测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：2m/340(m/s)=5.88ms。这时计数器显示应为100，即1m，此时计数电路脉冲发生器的频率f100/(5.8810-3)=17(khz)。如电容c为2200pf，此时电阻 r = 1/(2.2 x c x f) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12x 17 x 103) = 12k 由于在不同的环境温度下，声波的传播速度会不同，为适应不同环境温度下测量的需要，我们要求电阻r具有一定的调节范围，这里用vr2,vr3进行调节，其中vr2为粗调电阻，vr3为精调电阻。同样我们可以算出在不同温度下的计数脉冲 这里简单介绍一下计数器的清零及数据锁存过程。a点波形即表现测试脉冲往返的时间，当a点电位由低变高时，由于c15电压不能突变，故b点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零，同时ic3 内与非门被打开，u6 开始通过clock脚计数；同样当a点电位由高变低时，由于c14电压不能突变，故c点会产生一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存，同时ic3的有关与非门被关闭，u6开始停止计数，完成计数过程。4.2.5 计数显示电路 1. 计数译码电路计数译码电路由集成块mc14553与cd4511构成，clk由4011的4脚引入，当p6即4011的10脚电位由低变高时，由于c15电压不能突变，4069的8脚会产生一个复位脉冲信号使计数器清零，同时4011内与非门被打开,u6开始通过clock脚计数；当p6点电位由高变低时，由于c14电压不能突变，u6的14脚会产生一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存，4011有关与非门关闭，u6(mc14453)停止计数，完成计数过程。2. led显示电路led显示电路由u8，q1,q2,q3,q4等组成，显示模块是一个8位段数码显示的led；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为x点xx米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。c21用于控制显示部分的刷新频率，u6的1脚，2脚，15脚为扫描输出，当输出低电平时，led显示，q4导通，点亮最高位小数点，当下一个脉冲低电平来临时，扫描第二位数据，此时q4截止，小数点不亮，当脉冲来临扫描最低位数据时，小数点不亮。4.3 电源电路在电源电路中，接入12v电压，通过d6整流，c18,c7滤波及l7809稳压之后输出9v稳定电压接入到电路中。五、输出波形六、 测试方法与仪器5.1 测试仪器：示波器，万用表，皮尺5.2 测试方法在一个宽敞的地方，将超声波测距电路板放在凳子上，一个大纸箱，读出led读数与实际测量距离，数据如下：led读数（cm）324097101实测（cm）304098100led读数（cm）196292397494实测（cm）202300400500由测试及表得出盲区为30cm，最大测量距离为500cm。七、 心得体会在这次的课程设计的制作中，我们学习到了很多东西，同时感觉到团队意识是很重要的，应用到了很多我们学过的东西，也让那些知识用在了实践中，如cad、数字电路等很多知识。在制作超声波测距电路的过程中，由于我们是第一次做，遇到了很多困难，在整个制作过程中，真的是困难重重，如用cad绘制原理图，打印版子，调试，理解原理等。在这个过程中，我们忙碌过，劳累过，但同时我们学到了很多制作电路板的知识，绘制原理图，pc板的布线，钻孔等。在辅导老师帮我们调试后，宣布我们的设计成功时，我们的内心是无比喜悦。在以后的学习过程中，我们一定会多加实践的。勤学习，勤练习。八、附件附件1. 电路图附件2 pcb排版元件清单类型part type个数footprint电容0.1u7rad0.2100u3rb.2/.41000u1rb.2/.40.01u3rad0.210u1rad0.21000p6rad0.20.056u1rad0.22200p1rad0.2电阻1.5k1axial0.31k8axial0.38.2k1axial0.310k10axial0.310k1sip310m1axial0.316k1axial0.320k1sip3100k4axial0.3150k1axial0.3200k1sip3300k1axial0.31m2axial0.3二极管1n41485di