基于数模电的超声波测距系统正文部分.doc

第一章 绪 论1.1 概述目前，超声波测距系统已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波测距系统可以探测海洋潜艇的方位、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物的形状及方位；利用超声波的传播时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物产生的反射波来确定物体内部损伤的位置以及状态，称之为无损探伤；利用超声波测距系统辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预定好的行进方向来完成任务。另外还有应用于液面探测、矿井探测、汽车报警、物位的测量等相关领域。超声波测距系统主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技术难度相对较小，成本低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业使用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用1-5。超声波测距系统虽然被大量应用于各种工业领域，但在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距系统共同工作的条件下会产生相互影响，另外测距的盲区比较大，这些固有的特点限制了其进一步广泛应用。在目前使用的超声波测距技术中，应用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脉冲回波检测法，其原理是通过传感器发射超声波，并接收从被测目标反射的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播速度，计算出超声波传感器于被测物体之间的距离。超声波测距系统的设计结构种类繁杂，性能差异也很大。目前市场上主流的超声波测距系统大多数是用单片机作为主控芯片，产生驱动信号，并且接收回波，控制通讯。但由于声波的传播速度会受到温度及介质的不同而产生变化，对于高精度要求的测量，基于单片机的超声波测距系统就需要对单片机内部的程序参数进行重新设定，并下载到单片机内。这在复杂环境条件下是很大的难题，因此基于模拟电路和数字电路的超声波测距系统对比单片机系统有着相当大的优势，它可以通过在逻辑计算电路中增加可调电阻的方式对参数进行调整。1.2 超声波的特点当物体产生震动后会通过介质产生声波。声波每秒振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹。人耳能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的频率小于20赫兹或20000赫兹时，人便听不见声音了。因此，人们把频率高于20000赫兹的声波称作“超声波”6。超声波和可以听到的声波本质上都是机械震动，都是以纵波的方式在介质中传播，但超声波的频率更高，波长更短。超声波在介质中产生机械振荡，传播速度不及光波，但其纵向分辨率较高。超声波对周围环境中的色彩，光强，光线和电磁波不敏感，对于处于复杂环境的被测物如黑暗，电磁干扰，有毒等恶劣环境下超声波基本不受环境的影响可以正常工作。超声波在介质中能量消耗较小，可以传播更远的距离，声波的传播速度不受频率的影响，所以军事，工业，科技等很多方面都选择超声波测距系统并大量的运用7-8。1.3 超声波测距原理超声波测距的方法有很多，例如相位检测，声波幅值和渡越时间等检测方法。这几种检测方法各有优缺点，相位检测法相对其他方法精度高，但是检测范围较小，不能应用与长距离检测，声波幅值检测法对反射波要求较高。所以通常条件下渡越时间检测方法是最为常用的超声波测距方法，在超声波检测技术中，最主要的是利用了超声波反射、折射、衰减等物理特征来实现检验。渡越时间检测法基本的工作原理是：超声波换能器由脉冲信号产生超声波，通过介质传播到被测物体，形成反射波；超声波传感器检测到反射波，并由传感器把声波信号转换为电信号，再通过逻辑计算出超声波在介质中传播的距离，利用公式： （1.1）就可以确定超声波检测设备到前方物体之间的距离。超声波传感器又分为自发自收传感器和只有单独的发射或接收功能的传感器。本文采用的是一发一收的双传感器的设计，传播介质为空气9-10，超声波测距原理如图1-1。图1-1 超声波测距原理图渡越时间测量法：（1） 直接计数法发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时开始计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻时停止计时，计时这段时间就是渡越时间。（2） 相位法发射装置发射出一定频率的正弦波，发出的声波到达障碍物后产生反射波，接收端收到反射波，经过放大电路放大，再与发射装置的驱动电压进行比较，测出两个正弦电压的相位差，跟据相位差就可测出距离。本设计采用了直接计数法，这种方法有点在于原理简单适用，电路成本较低。而测距精度方面也不逊于其他两种测量方法。1.4 超声波传感器超声波换能器又称超声波传感器有很多种类，在产生超声波的方式这方面来讲，超声波换能器大致分为两类：一类是用电器方法产生超声波。电气方法是指通过压电、磁场和电动等方式产生超声波。另一类是采用机械振动的方式来产生超声波。这两种方法产生的超声波的频率、功率和声波特征各不相同，因此适用于不同的用途。目前较为常见的是压电式超声波换能器。压电式超声波换能器主要结构是压电片，既可以发射超声波又可以接收超声波。其内部结构如图1-2。1-2 压电超声波换能器内部结构原理图压电式超声波换能器有许多结构，例如压电片内部质点的震动方向垂直与晶片平面，那么晶片就是向外发射超声波。超声波在介质中传播可以有不同的形式，取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有以下四种：纵波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，超声波就是纵波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。横波型：当介质中质点的振动方向与超声波垂直时，超声波就是横波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形。当其中剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。表面波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波双重性质的波。表面波可以看成是由平行与表面的纵波和垂直于横波的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在距离表面1/4波长深处振幅最强。板波型：板波亦称拉姆波，板波只产生在大约一个波长的薄板内，在板的两表面和中部都有质点的振动，声场遍及整个板的厚度。薄板两表面的质点振动是纵波和横波成分之和，运动轨迹为椭圆形，长轴于短轴的比例取决于材料的性质。板波可以分为对称型和非对称型两种。1.5 超声波测距领域历史和国内外发展现状1876年F.Galton的气哨实验，一般被人们认为是超声波研究的起源，这是人类首次有效的产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。法国人Langevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。 1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。4年之后，1934年Sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观 察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Beergmann在他的论著ULTRASONIC中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。 美国的Firestone和英国的Sproule首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。 HuaHong，Wang Yongtian阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。实验结果表明，该系统在15m 的测距精度可达到1mm。 中国测试技术研究所的李茂山在超声波测距原理及实践技术中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件，测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原理。文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素，给出了超声波测距的框图。作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。 浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统。作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计，硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89C2051单片机控制电路等。作者还分析了造成料位测量误差的几点原因，并给出了几种方法来减少测量误差。比如：在计数电路设计中，采用了“延迟接收，信号分离”的技术和相关计数法减小了计数误差，对于声速的测量误差，使用温度补偿法，在软件设计中采用了查表的方法，由单片机实现自动补偿校正。文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用，超声波在介质中的传 播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。中国海洋大学的曹玉华在超声波测距系统设计及其在机器人模糊避障中的应用提出了采用温度补偿的方法测量声速，来提高超声波测距精度。文中温度检测部分采用了美国 DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DS18B20测量环境温度，用以温度补偿以修正超声波速度，来减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在1.5m的测量范围内，测量误差小于5cm。山东科技大学的王红梅在高分辨力超声测距系统的研究中研究了已有超声波测距系统的优缺点，采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度，并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。为了提高仪器的分辨力，还采用了若干方法来减小随机误差。本文所设计的超声波测距系统在测量范围1cm10cm，精度可达到0.5%，分辨率优于0.1mm。1.6 论文研究内容本论文的研究内容是近距离超声测距系统，具体指标如下：（1） 量程：0.510m；（2） 电源：9VDC；（3） 声道：2；（4） 超声波频率：40KHz；（5） 测量误差：10cm；（6） 显示方式：数码管显示。第二章 系统设计准备2.1 超声波的衰减从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： （1）由声速扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 （2）由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部 分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即（衰减系数）表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： （2.1） 式中：K：热传导系数 ：动力粘滞系数 ：定容比热 f:超声波频率 C：超声波传播速度 ：定压比热 ：传播介质密度 式(2.1)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示: (2.2)把带入式（2.2）可得： (2.3) 由式（2.3）可知：温度一定时，、T均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减系数就越大，有效的传播距离就越短。所以，在实际应用时，一般选择30100KHz的超声波进行距离测量，40KHz是比较典型的超声波发射频率，所以本文采用40KHz的超声波来测距。2.2 超声波的传播速度由声波产生的物理过程可知，声速与质点速度是完全不同的，声波的传播只是扰动形式和能量的传递，并不把在各自平衡位置附近振动的媒质点传走。某种介质中的声速主要取决于该介质的密度和温度。由于空气没有剪切弹性，只有体积弹性，因而气体中声波的传播形式只能是纵波。也就是说，在声扰动下，气体介质中的质点在各自平衡位置附近运动，形成稠密和稀疏依次交替的传递过程，而且质点运动的方向与声波传播的方向一致。 声波在相当大的频率范围内不随频率发生变化，也就是说超声波的传播速度与可听声波的传播速度是相同的，超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波并无质的区别，与一般声波相比，超声波具有更好的定向性，并且可以穿透不透 明物质。 在空气中超声波的传播速度主要与温度有关，在空气中传播速度C为： （2.4）式中，为环境温度。2.3 超声波传感器的选择本设计采用压电式超声波传感器，传感器选择收发分体式换能器，而且换能器的体积不能过大。超声波传感器的主要性能指标包括：（1） 工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到他两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2） 工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声波传感器的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3） 灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，林敏度低。基于以上考虑，本文超声波传感器采用的是普遍应用的压电式超声波传感器T/R40-16，其特性如下：（1） T/R40-16型号代码T-发射；R-接受；40-中心频率；16-外壳直径。（2） T/R40-16结构图本设计中选用T/R40-16型超声波传感器，T/R40-16内部结构示意图如图2-1所示。超声波传感器由压电晶片、锥形喇叭、底座、引线、金属外壳及屏蔽网组成。其中，压电晶片是传感器的核心，锥形喇叭使发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属网可防止外界力量对压电晶片和锥形喇叭的损害，金属网也起保护作用，但不影响发射和接收超声波11-14。图2-1 T/R40-16内部结构示意图（3） 频率特性曲线T/R40-16超声波传感器的声压电平和灵敏度曲线如图2-2、2-3所示，从上图中可以得知，它的声压能级、灵敏度在40KHz的时候最大，所以电路一般选用40KHz作为传感器的使用频率。 图2-2 声压电平曲线图2-3 灵敏度特性曲线2.4 发射脉冲波形超声波测距常用的发射脉冲波形如图2-4所示，有单个尖脉冲、衰减振荡脉冲、窄等幅波列脉冲和宽等幅波列脉冲。介质中超声波的衰减系数根据前面的分析可知是频率f的函数，因此发射的脉冲波中不同频率成分的波将以不同的群速度传播，这使得脉冲波形将随着传播距离的增大而发生畸变，并且这种畸变程度随距离的增加而变得显著。在要求分辨力较高和盲区较短的超声测量技术中，一般使用宽度较窄的脉冲波15-18。图2-4 超声波测距常用发射脉冲波形2.5 测距系统的误差分析和修正超声波测距的总误差可以由式（2.5）计算： （2.5）式中：测距总误差；C超声波在介质中的传播速度；声速误差；测距时间的误差；其他误差，主要包括探头固定误差、噪声干扰误差等。由式（2.5）可以看出，要提高测距精度，必须减小时间和声速测量的误差，并且对干扰进行合理的分析和处理19-20。2.6 超声波在空气中传播速度的补偿原理由于声速对测距影响较大，所以必须补偿超声波在空气中的传播速度，根据公式 可知温度是影响声速的主要因素。 对声速的补偿，现在大多采用温度补偿的方法，在系统设计中加入温度检测部分对环境温度进行检测，以提高超声波的测距精度。DS18B20是该方案常用的温度传感器。 但是通过温度测量补偿声速的方法也存在着问题，由于引入了环境温度这个参数,必然会存在环境温度测量的误差，如果没有合适的处理温度测量的误差，将会导致温度补偿声速的误差加大，达不到预期的目的。因此本系统没有采用温度补偿声速的方法进行声速C的误差校正，而是采用了标杆测量法。 标杆测量法是在超声波发射器前设置标志杆，由于已知距离s，因此只需要测出超声波的渡越时间，就可以根据C=s/t，算出当地声速C来校正实际测量的声速。使用标杆测量法的好处是不需要通过引入温度参数来进行声速的补偿，避免了因温度补偿声速带来的二次误差。而且标杆的环境就是测量的环境，条件一致，可以直接用测量的声速C来进行误差校正，适用范围广。2.7 渡越时间测量误差的修正分析测距时间的误差是无可避免的，因为不管你采用何种方法，计时都存在着误差。这是由硬件本身决定的，但是如何选择合适的渡越时间测量法来减少渡越时间测量的误差，就是提高超声波测距精度的关键所在。 现有的超声波测距系统大多是采用单片机内部的计数器实现计数的功能，计数器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。虽然计数误差可以由软件来减小，但是即使是进行软件修正，由于单片机芯片内部计数器本身的条件限制，也无法实现更高精度的测距要求。由于受到计数误差的影响，现有超声波测距系统的测量范围基本上在几十厘米到二十米之间，误差精度在毫米级。所以如果想提高超声波的测距精度就必须选择高精度的时间测量方法。2.8 显示器件选择对于显示器件的选择有如下考虑：现有的测距系统使用的显示器件中，使用最为广泛的是LCD和LED。LCD即液晶显示器，具有可显示内容丰富，控制灵活、功耗低、体积小巧、重量轻等特点，在智能化仪器中得到越来越多的应用，其缺点是亮度不高，在距离较远的时候显示效果不够清晰，而且控制复杂，价格比较贵，对工作环境的温度要求也比较高；发光二极管显示器，建成LED，虽然具有显示内容不丰富、无法显示汉字等缺点，但是同时也具有亮度高、显示清晰及相应速度快等优点，更为重要的是可靠性高、使用寿命长、在高温和低温下都能稳定工作，而且价格低廉。LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为10：1，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160度的视角，有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。经过比较考虑，本设计选择了LED显示器。采用三个共阴极LED数码管来显示测距距离。LED显示器分共阴极和共阳极两种。共阴极LED的所有发光二极管的阴极共地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管被点亮；共阴极LED显示器其所有发光二极管的阳极并接，当某个发光二极管的阴极为高电平时，发光二极管被点亮。八段LED显示器既可以显示数字，也可以显示简单的字母及符号。第三章 超声波测距系统设计本文设计的的超声波测距系统由于是利用数模电知识，所以完全依靠逻辑电路进行信号的检测与计算。所以，系统的稳定性、精确度很大程度上依赖硬件。因此在能保证实现超声波测距所需要的功能的同时硬件的选择应该重点考虑以下几个条件：（1） 尽量选择普遍使用的芯片，在系统调试过程中难免会发生一些意外。若使用的是非主流，比较冷门的芯片会对系统的调试工作带来困难，同时典型芯片也为系统的标准化、模块化打下了基础。（2） 尽量减少硬件电路的复杂性，能在片内实现的功能，最好不外接电路。（3） 在电路焊接过程中尽量考虑系统的可靠性以及抗干扰性能。系统设计包括模拟和数字两部分：模拟部分包括超声发射电路、驱动电路、接收电路、放大电路、比较电路；数字部分包括计数显示电路。硬件设计从成本和性能两方面进行考虑，力求结构简单，成本合理，功能完善，稳定性好。系统方案框图如图3-1所示。图3-1 超声波测距系统方案框图3.1 超声波发射模块根据超声换能器产生超声波的原理，超声波换能器想要产生超声波需要在换能器两端加电平信号，当信号频率跟超声波换能器的固有频率相等时，超声波换能器的输出功率最大，灵敏度最高。因此发发射模块的关键就是如何产生与超声波换能器，也就是本设计选取的T/R40-16超声波换能器固有频率相等的电平信号。产生电平信号质量的好坏跟振荡电路的选择有很大的关系，一般振荡电路是由电阻、电感、电容等元件和电子器件组成。振荡电路按频率的高低可以分为超低频（20Hz以下）、低频（20Hz200KHz）、高频（200KHz30MHz）和超高频（10MHz350MHz）等几种。由于T/R40-16的固有频率为40KHz，所以超声波驱动电路的频率应尽量接近40KHz。但电路产生的脉冲信号会受到周围环境温度和自身放热导致的温度变化的影响，所以设计中采用了可调脉冲频率的方式来抵消这种影响，使驱动电路的频率尽量接近超声波换能器的固有频率。超声波换能器驱动脉冲电路由两块555集成电路组成。组成超声波脉冲信号发生器。如图3-2所示。图3-2 超声波发射模块其中IC1输出信号控制IC2与其共同组成超声波载波信号发生器，输出1ms频率40kHz，占空比50的脉冲，停止64ms。IC1的具体工作电路如图3-3所示。图3-3 IC1工作电路IC1输出信号的计算公式如下：条件: R1=9.1M、 R2=150K、 C1=0.01F IC1输出信号经过IC3非门后输入IC2如图3-4所示。图3-4 IC2工作电路IC2输出信号计算公式如下：条件: R3 =1.5K、 R4=15K、 C3=1000pFIC3组成超声波换能器驱动电路，其工作电路如图3-5所示。驱动电路主要由五个非门组成，由于直接输出的电压信号时，电流很小，会导致功率不够无法正常驱动超声波传感器，为了使超声波传感器的输出功率达到最大，增加输出功率，使传感器的灵敏度达到最高。分别使用两个非门在正向及反相端并联，增大驱动电流。图3-5 超声波换能器驱动电路发射模块中主要使用了555、4069两块芯片和超声波换能器T40-16。555作为使用最为普遍的定时振荡器，自从其于1971年由Signetics Corporation发布后，在以后30年来被大量使用，并且延伸出相当多的应用电路在本次设计中我没有使用比较先进的基于CMOS技术的Timer IC如MOTORLA的MC1455，而是使用了原规格的NE555。其内部结构图如图3-6所示。图3-6 NE555内部结构图NE555振荡计时器具有以下功能特性：（1） 供应电压 4.518V（2） 供应电流 36mA（3） 输出电流 225mA（最大值）（4） 上升/下降时间 100nsNE555振荡计时器有两种工作模式：（1） 单触发（单稳）（2） 振荡器（非稳）单稳模式其外部电路连接如图3-7所示。图3-7 单稳模式下外部电路连接图也就是说将定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容C和一个电阻R，就可以构成单稳态触发器。而且图3.7中的单稳态触发器是负脉冲触发。稳态时，单稳态触发器输出低电平。暂稳态时，触发器输出高电平。5号脚悬空时输出脉冲宽度为。5号脚接控制电压时，输出脉冲宽度为20-22。振荡器模式下其外部连接电路如图3-8所示。图3-8 振荡模式下外部电路连接图在振荡器工作模式下电阻和电容构成一个RC积分电路，其输入端接施密特触发器的输出端，其输出端接施密特触发器的输入端。用555定时器构成多谐振荡器就是这个思路。于是我们先用555定时器构成一个施密特触发器，再把这个施密特触发器改接成多谐振荡器。设计中使用的施密特触发器稍微复杂了一些，粗了2号脚和6号脚连接在一起构成施密特触发器外，又增加了一个电阻。与555定时器内部的放电管构成了一个反相器。逻辑上这个反相器的输出与555定时器的输出完全相同。因此，这个触发器有了两个输出端，分别为555的3号脚和号脚。电阻和电容C构成了RC积分电路，施密特触发器的一个输出端（7号脚）接RC积分电路的输入端，RC积分电路的输出端接施密特触发器的输入端。这样就形成了多谐振荡。CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。CC4069 提供了14引线多层陶瓷双列直插（D）、熔封陶瓷双列直插（J） 、塑料双列直插（P）和陶瓷片状载体（C）4 种封装形式。推荐工作条件： 电源电压范围： 3V15V 输入电压范围： 0VVDD 工作温度范围： M 类： 55125 E 类： 4085 电源电压：0.5V18V 输入电压：0.5VVDD+0.5V 输入电流：10mA 储存温度：65150其工作原理如图3-9所示。图3-9 CD4069工作原理图 通电后，时基振荡器震荡经过分频后向外输出时基信号。 作为分频器的 IC2 开始计数分频。当计数到10时，Q4输出高电平，该高电平经D1反相变为低电平使VT截止，继电器断电释放，切断被控电路工作电源。与此同时， D1输出低电平经D2反相为高电平后加至IC2的CP端，使输出端输出的高电平保持。电路通电使IC1、IC2复位后，IC2的四个输出端，均为低电平。而Q4输出的低电平经D1反相变为高电平，通过R4使VT导通，继电器通电吸和。这种工作状态为开机接通、定时断开状态。3.2 超声波接收电路超声波接收头和NJM4580D芯片组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经4580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R10和R11进行分压，这时在4580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。其电路连接如图3-10所示。图3-10 反射信号放大电路连接图为了降低测距系统的误差这里使用NJM4580D作为放大器,NJM458D是一个双运算放大芯片，相较于普通的放大器，NJM4580D抗干扰能力更强，更高的增益带宽，高输出电流，很低的信号失真23-24。C9、D1、D2、C10组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至LM358N进行处理。如图3-11所示。图3-11 倍压检波电路由于电容的通高阻低的特性，C9将低频信号过滤掉，由二极管的单向导通特性，将负电压的波形过滤掉，在利用电容C10放点作用，将放大过来的单脉冲转换成一个连续的正电压。3.3 信号比较电路由Ra、Rb、IC5（LM358）组成信号比较电路。电路连接及信号波形如图3.12所示。图3-12 信号比较电路其中：所以当A点（IC5的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，B点电压将由高电平1到低电平0。同时注意到在IC5的同相端接有电容C和二极管D，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，这里由端子C直接引入检测脉冲来适当提高IC5比较器的门限转换电压，并且这个电压由电容C保持一段时间，这样在超声波发射器发出检测脉冲时，由于D的作用使IC5的门限转换电压也随之被提高，并且由于电容C的放电保持作用，可防止这时由于检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D及电容C的防误检测作用，其近距离测量会受到影响。最小测量距离在40cm左右。减小电容C的容量，在环境温度为20摄氏度时可做到30cm测量最短距离。此时其放电时间为1.75ms。具体原理波形如图3-13所示。图3-13 防误检原理图对于这部分电路LM358是核心部分，作为一个常用的双运放芯片，它里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用与电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源的工作方式。在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组、音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可能用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。LM358的工作特性：（1） 内部频率补偿。（2） 直流电压增益高（约100dB）。（3） 单位增益频带宽（约1MHz）。（4） 电源电压范围宽：单电源3-31V；双电源1.5-15V。（5） 低功耗电流，适合于电池供电。（6） 低输入偏流。（7） 低输入失调电压和失调电流。（8） 共模输入电压范围宽，包括接地。（9）差分输入电压范围宽，等于电源电压范围。3.4 时间测量电路IC6（4011）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。原理如图3-14，波形如图3-15所示。图3-14 时间检测电路原理图3-15 时间检测电路波形图3.5 计数脉冲信号发出电路IC7（4069）组成计数脉冲电路，原理如图3-16。3-16 计数脉冲电路原理其工作频率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343.5m/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，其关系为v331.5+0.6t,其中v的单位为m/s,t为环境温度，单位为3有关计算如下：测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：。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。如电容C(即C14)为2200pF，此时电阻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频率值。3.6 计数显示电路 计数和显示电路由IC6（4011）、IC7（4069）、IC8（4553）、IC9（4511）组成，原理如图3-17所示25-27。图3-17 计数显示电路IC8（4553）是带有锁存功能的三位BCD扫描计数器，这里要简单介绍一下计数器的锁存与清零的过程。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C13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IC6内与非门被打开，IC8开始通过CLOCK脚计数；同样当A点电位由高变低时，由于C12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IC6的有关与非门被关闭，IC8开始停止计数，完成计数过程。原理图如图3-18，波形图如图3-19。图3-18 计数器锁存与清零过程图3-19 计数锁存波形图计数显示电路主要是由两块芯片构成：4553计数芯片和4511译码芯片，其中4553完成了这部分电路的大部分功能，其外部引脚如图3-20所示。CLOCK：计数脉冲输入端，下调沿有效。 CIA、CIB：内部振荡器的外界电容端子。 MR：计数器清零（只清计数器部分），高电平有效。 LE：锁定允许。当该端为低电平时，3组计数器的内容分别进入3组锁存器，当该端为高电平时，锁存器锁定，计数器的值不能进入。 DIS：该端接地时，计数脉冲才能进行计数。 DS1、DS2、DS3：位选通扫描信号的输出，这3端能循环地输出低电平，供显示器作为位通控制。 Q0、Q1、Q2、Q3：BCD码输出端，它能分时轮流输出3组锁存器的BCD码。 CD4553内部虽然有3组BCD码计数器（计数最大值为999），但BCD的输出端却只有一组Q0Q3通过内部的多路转换开关能分时输出个、十、百位的BCD码，相应地，也输出3位位选通信号。例如：当Q0Q3输出个位的BCD码时，DS1端输出低电平；当Q0Q3输出十位的BCD码时，DS2端输出低电平；当Q0Q3输出百位的BCD码时，DS3端输出低电平时，周而复始、循环不止。图3-20 4553外部引脚图CD4553真值表如表3-1：表3-1 CD4553真值表MRCLDISLE不变0上升沿00进位0下降沿00不变0X1X进位01上升沿0不变01下降沿0不变00XX锁存0XX上升沿锁存0XX111XX0LED数码管因为其简单直观、主动发光、布置灵活、经济性好等特点，本文中的设计优先采用了这种显示设备。数码管显示接口常用的有静态与动态扫描显示两种方式，二者在硬件开销（包括接口资源、PCB板面积等）与软件开销（包括数据维护、显示码计算等）各有所长，都得到了大量的应用。其中，显示位数较少时常采用静态显示方式，显示位数较多时则采用动态扫描方式来简化电路。设计中采用了三个LED数码管来显示测量得到的结果，若采用静态显示方式，则需要使用三块计数器，三块译码器，大量的电阻来驱动三个数码管来正常的显示距离数据。在使用了4553后就可以利用4553的动态扫描显示功能，将个数码管的同名字段并联，接在译码器上，再将各位数码管的公共端各自接不同的位扫描线上，在4553工作时所需输出的显示码与扫描信号配合加载在字段驱动线上，个数码管按一定时间间隔轮流使用字段驱动器。这样电路得到了最大的简化，同时也大大节省了电路成本。而这种动态扫描的显示方式也不是完美无缺，其最大的问题是显示亮度不够的问题。由于各个数码管分时点亮，当显示位数为X时，每一位点亮的时间只有显示时间的1/X，当显示位数过多时，数码管的显示亮度会大幅下降，以至于不能正常显示。但由于本设计内容所使用的数码管只有三个，所以理论上应该不会出现显示不正常的现象。CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码七段码译码器，特点：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。其引脚图如图3-21所示。图3-21 4511引脚图其中a、b、c、d为BCD 码输入，a为最低位。LT为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。BI为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， B1端应加高电平。另外 CD4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。LE是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴LED数码管。另外，CD4511显示数“6”时，a段消隐；显示数“9”时，d段消隐，所以显示6、9这两个数时，字形不太美观。CD4511的工作真值表如表3-2：表3-2 4511真值表输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐011000011111100011000101100001011001011000012011001111110013011010001100114011010110110115011011000111116011011111100007011100011111118011100111100119111XXXX锁存锁存第四章 仿真及调试4.1 仿真软件介绍Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。作为一款仿真软件Proteus具有以下功能特点：（1） 原理图布局。（2） PCB自动或人工布线。（3） SPICE电路仿真，并且在仿真时可以实时采用例如RAM，ROM，键盘，马达，LCD，AD/DA，部分SPI器件。（4） 仿真处理器以及其外围电路，可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM等常用主流单片机。4.2 仿真发射模块仿真电路如图4-1。图4-1 发射模块仿真电路经仿真后成功了产生了设计要求的驱动波形。具体波形如图4-2所示。图4-2 反射模块总体波形仿真图图4-2中，时间轴以20ms为单位，电压轴以5V为单位，A、B曲线为超声波驱动电路输出信号，C曲线为IC1输出电压信号，D曲线为IC2输出电压信号。可以看出电路基本达到设计要求。放大、检波、计时电路如图4-3。因为不能找到实际电路使用的NJM4580D，仿真电路中使用了LM358N来代替，另外由于仿真电路不能测得超声波信号，所以使用了一段正弦波来代替超声波信号。图4-3 放大、检波、计时仿真电路经仿真后波形如图4-4所示。图4-4 放大、检波、计时仿真波形由于使用的是连续的正弦波。所以输入检波电路的一直为高电平，也就是相当于一直接受有反射波，计时电路一直在计时，除了IC1发射出检测脉冲的时候计时没有进行，虽然没有得出直接的结果，但这依然可以表明电路的逻辑功能是正确的。结 论设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量距离。在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多，所以调试应该不会太难，稍加调试应该会正常工作。电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。致 谢在论文即将完成之际，向所有关心和支持我的人表示衷心的感谢！首先对我的指导老师尚丽平老师表示真挚的感谢，在这次毕业设计中，尚老师自始至终给予了悉心的指导和关心，在毕业设计期间又提出了许多宝贵的意见。尚老师严谨的治学态度、求实的科研作风、渊博的知识给我留下了深刻的印象，激励我不断努力学习和工作，向着更高的人生目标奋斗！此外，读书期间，使我受益的不仅仅是孙老师广博的知识，丰富的经验，更为重要的是尚老师在为人、为师、以及科研中的态度。在为人方面，我懂得了做人要积极乐观，正直，乐于助人；为师方面，要不遗余力、无私奉献；科研中，要严谨认真、脚踏实地、勤于动脑、勤于动手。这些将是我以后工作和生活中所要努力做到的。感谢父母对我的养育之恩！感谢信息工程学院全体老师对我的教导、帮助和关心！感谢信息工程学院07自动