超声波测距系统.doc

超声测距及报警系统的设计实验目的 1、通过一些具有一定综合性和实际应用价值的电路设计，培养较大规模的数模混合电路的设计能力和设计技巧，培养严谨求实的科学作风和实际动手能力；2、通过分组实验，培养团队协作的精神，调动每个成员的积极性和主动性。系统功能本系统利用超声波测量探头与障碍物之间的距离，量程2.5m，测量误差R1。测得f39.6kHz，D50%，Vpp4.5V。2、脉冲调制电路调制脉冲的频率为显示数据的更新频率，设计为2Hz左右，即每隔0.5s字码管的读数更新一次；令调制脉冲为高电平时换能器发出超声波。每次发出的超声波的数目不宜过少也不宜过多，过少则容易衰减，过多则发射波与反射波会产生叠加干扰。设计每次发出816个超声波，因此调制脉冲在一周期内高电平持续时间为0.20.4ms电路同1，取C=1F，R1=750k，R2=390，通过 74LS04后反相输出。测得f1.9Hz，一周期内高电平持续时间约为0.28ms，即每次发出11个超声波。超声波振荡电路与脉冲调制电路经与门后输出调制后的超声脉冲，如图3所示。 40kHz 2Hz 调制后的脉冲图3 脉冲波形3、计数脉冲发生电路常温下空气中的声速v340m/s，计数器每加1表示距离加1cm，这段时间内声波走过2cm，T=0.02/v，故计数脉冲的频率f50v17kHz。电路同1，取C=1nF，R1=1k，R2=39k。测得f17.6kHz。系统的测量精度主要取决于计数脉冲的频率，故实验中用一电位器与R1串联，对频率进行微调，以便校准。考虑到串入电位器后频率会降低，故上述设计的频率偏高（无电位器），以保证足够的调节范围。4、超声波放大滤波器本电路由多级放大电路构成，每一级的反相输入端串入隔直电容，滤除低频分量，使放大电路呈现高通特性；同时运放自身的频响特性又使其表现为低通。二者结合构成带通放大滤波器。每级放大电路的增益不能太高，以保证引入负反馈后的上限截止频率大于40kHz。实际电路采用三级放大，每一级的电压增益为10，总共放大约1000倍，如图4所示。图4 超声波放大滤波电路对图4电路仿真得到的频响特性如图5所示。图5 超声波放大滤波电路的频率响应5、检波器：检波电路由电压比较器LM393（OC）构成，如图6所示。将放大滤波后的正弦波变成矩形波。反相输入端参考电压应小于有效信号的峰值，大于噪声信号的峰值。输出高电平约为5V，可直接驱动数字电路。图6 检波电路二、 数字电路部分 1、计数及扫描显示电路 该电路的主要功能是在超声波换能器发出超声波的同时开始计数，并在收到反射波后停止计数并显示结果。电路图如图7所示（为便于仿真，数字部分的电路图全部使用MaxplusII原理图格式绘制）。图7 计数及扫描显示电路电路输入：reset为复位开关；clk为17kHz左右的计数脉冲，同时也可作为字码管显示的扫描脉冲；send接2Hz的调制脉冲；receive接检波器的输出，若收到反射波，该输入端应收到十几个40kHz的脉冲。send与receive端输入波形的相对关系如上图右下所示。电路输出：OAOG为7段译码输出，同时接3个字码管的相应输入端；q1q3分别接各字码管的接地端，当输出低电平时字码管亮，高电平则灭。其中q1接最高位字码管，q3接最低位。一般数字电路输出低电平时的灌电流能力较强，经测试，上述方法可以驱动1个字码管。各模块组成：上图中“count3”为3个D触发器构成的环型计数器，系统启动时q1q3置为“110”，即最低位的字码管亮。此后在扫描脉冲的作用下，q1q3按“110”“011”“101”“110”循环，每个状态下0对应的字码管亮。“12D-Latch”为2个74LS373构成的锁存器，存放3组BCD码，G为高电平时输出跟随输入，低电平时锁存。“Multiplexer”为2个74LS153构成的四4选1选择器，B、A为地址输入端（B为高位）。如BA=10时，1Y=1C2，2Y=2C2，3Y=3C2，4Y=4C2。“3bit-counter10”为3个74LS90构成的三位10进制计数器（0999），R0为清零端（1有效），3QA表示最高位BCD码的最低位，余类推。 “rs-ff”为2个或非门构成的RS触发器，输入高电平有效。 以上模块电路分别如图8图12所示。图8 count3 图9 12D-Latch图10 Multiplexer图11 3bit-counter10图 12 rs-f工作原理：取环型计数器的某两个输出作为选择器的地址输入，如取q1、q2。当q1q3为“011”时，最高位字码管亮，BA=01，各选择器的Y=C1，即将3QD3QA译码输出，显示计数器的最高位。余类推。这样在每一状态下，三个字码管有且只有一个工作。当扫描频率足够高时，人眼的视觉暂留使人感觉三个字码管同时显示。RS触发器构成一个双稳态电路。当调制脉冲(send)变为“1”时，Q=1，QN=0，计数器开始计数，锁存器的输出跟随输入变化；当收到第一个反射波时，即receive端变为1时，Q=0，QN=1，锁存器将计数器的数据锁存并扫描显示，同时计数器清零。此状态一直保持到下一个调制脉冲到来。RS触发器输入输出波形的关系如图13所示。图13 RS触发器I/O波形2、报警电路：报警控制电路如图14所示（counter10为74LS90构成的十进制计数器，图略）。系统输入：alarm_set：报警设置/结束设置=1/0；select：选位脉冲，使待设数字在三个数位间切换；alarm_value：设置报警数字的计数脉冲；scan：扫描显示的脉冲；cp：测距时的计数脉冲；reset：复位；r0：计数器清零，1有效。图14 报警控制电路工作原理：当alarm_set=1时，开始设置。按动select键可在三位间选择某一位进行设置，此时select键输入的脉冲与扫描显示的脉冲作用相似；当选中某一位后，按alarm_value可实现加计数，并在相应位的字码管上显示；各位均设置完毕后，使alarm_set变为0，则保存设置，并回到测距状态（考虑到实际需要，本电路不对厘米位进行设置）。该电路的优点是可以进行逐位设置，置数比较方便；设置报警与测距使用同一组计数器，减小了系统的规模。对某一位进行设置时，该位对应的计数器工作。图中三个计数器的时钟cp1cp3以及环型计数器的时钟clk与输入之间的逻辑关系如下：cp1=cp+alarm_set；cp2= alarm_setQ2+1QD+ alarm_setalarm_value；cp3= alarm_setQ1+2QD+ alarm_setalarm_value； clk=scan+ alarm_setselect。例如，当alarm_set=1，Q2=0时，1QD=0，cp1=1，cp2=alarm_value，cp3=1，按alarm_value键可使cp2动作，从而完成对中间一位的设置，其它各位保持不变。比较及报警电路如图15和图16所示，其中alarm_control模块即为图14的电路。图15 比较器图16 报警电路当alarm_set=1时，锁存器输出随输入变化，显示设置的数值；当结束设置时（alarm_set=0），74373将该数值锁存，电路回到测距状态，显示距离值。收到反射波后RS触发器翻转，显示器停留在某一数值，比较器将其与设定值比较，从而判断是否报警。比较器Comparator由74LS85级联构成（图见下页）。RS触发器输入端R=，保证在报警设置时R=0，使计数器不被清零，12D-Latch锁存器不锁存。使用说明 正式测量前先设定报警临界值，这时令alarm_set=1，因此cp1=1，cp2=Q2+1QD+alarm_value，cp3=Q1+alarm_value，clk=choose，R=0，S=1；于是，按动choose键可选中欲设置位（考虑到实际需要，本电路不对厘米位进行设置），再按alarm_value可实现加法计数，这时锁存器输出随输入变化，相应数码管显示设置的数值。设定结束时，令alarm_set=0，锁存器74373将预置数值锁存，系统进入测距状态。此时cp1=cp，cp2=1QD，cp3=2QD，clk=scan，R=receive，S=send。因此，当调制脉冲上升沿到来时，超声波换能器发出超声波，计数器开始计数；当收到反射波时，RS触发器翻转，计数器停止计数，当时的计数值（测量值）被锁存在锁存器“12D-Latch”并根据Q1Q3的状态经多路选择器“Mutipliexer”和译码器“7449”送到数码管显示。与此同时，计数器清零，等待下一个调制脉冲的到来；比较器“comparator”将测量值与设定值比较，以判断是否报警。测试结果经过最后总装调试，各部分电路均能够正常工作。演示时显示距离为2.26m，与测量值误差小于1cm；报警设置为1.0m，障碍物距离小于该距离即报警，否则不予报警。*实验总结 1、实验中遇到的问题及处理方法： （1）555脉冲电路对电源产生干扰，特别是40kHz的频率较高的脉冲信号，导致其它电路如计数器、字码管等不能正常工作。这一问题我在暑假设计调试数字电路时就曾遇到过，但一直不得其解。有效的解决方法是在电源和地之间串入较大的电容进行滤波，且该滤波电容的位置应尽量靠近干扰源。这是一条很宝贵的经验。（2）起初二阶带通滤波器存在自激，自激波形为36kHz左右的比较稳定的正弦波，曾误以为是输入信号。后来老师告诉我们，这种带通滤波器经常会产生自激，我们就将该带通滤波器撤除。由于超声波换能器本身就有较好的频率选择性，因而可以起到带通滤波器的作用；（3）测距的量程不够，开始只有0.6m左右。通过调整放大器的增益、改变隔直电容的大小、增大运放的电源电压、降低比较器的参考电压以及改变换能器探头的摆放位置等措施，最终使量程超过2.5m。 2、设计及调试电路的经验： （1）本次实验的设计工作主要是数字电路部分。对计数器清零的处理方式是比较独特的。许多小组采用了脉冲清零的方式，即在调制脉冲到来的瞬间靠窄脉冲将计数器清零，然后开始计数，有的甚至用门电路的延时来构造窄脉冲。这样做有很多缺点：若清零脉冲较宽，从清零到开始计数会有一个延时，即开始计数之前超声波已发出，这样会带来一定的误差，且这种误差是非线性的，不能通过调整计数器的频率来补偿；若清零脉冲较窄，在电路中将构成一个“人造毛刺”，对清零的可靠性及电路的稳定性都会带来不利影响。假若设计的是红外或激光测距，哪怕只有几ns的延时也是不能忽略的。我在设计中采用了RS触发器，在收到反射波后就将计数器清零，并保持到下一个调制脉冲到来。这样即保证了系统的状态可靠地变化，又减小了电路设计带来的误差，使测量误差基本上由计数脉冲的频率决定。我认为，这是本组产品达到较高测量精度的主要原因；（2）报警电路的设计充分利用了已有的电路结构，控制部分基本上由门电路构成，没有再增加计数器、触发器等元件。虽然连接电路时比较繁琐，但在做集成电路的时候，这些门电路的成本将比计数器等元件低得多；（3）扫描显示的目的是减少输出管脚，降低成本，便于集成；（4）数字电路的设计采用了CPLD工具，缩短了设计的周期，增强了系统的可靠性，并可以监测系统资源以判断系统的优劣；（5）设计模拟电路不能指望一次成功，应先估计一个适当的范围，再进行微调。本次实验电路中多处使用了电位器，效果很好；（6）模拟电路部分大多没有经过软件仿真。对于较为简单的电路，我认为经验更为重要，如555的干扰问题就是计算机无法解决的。计算机仿真只提供一般的规律，如某个参数变化时会对电路产生什么影响等。“绝知此事要躬行”，实践才是经验的真正源泉。 总之，这次实验使我收益匪浅。几经周折后实验终获成功，这得益于老师的指导和集体的智慧。在此向热心帮助我们的老师们表示衷心的感谢！