不使用单片机的超声波测距(纯数字电路完成的).doc

成成 都都 信信 息息 工工 程程 学学 院院 气气 象象 电电 子子 综综 合合 设设 计计 报报 告告 超声波测距雷达设计超声波测距雷达设计 超声波测距雷达设计超声波测距雷达设计 摘摘 要要 该设计是采用两级 NE555 产生足够频率与强度的脉冲信号由超声波发射探 头发射 脉冲信号遇到障碍物返回 返回信号由超声波接收探头接收后通过两 级放大 检波电路检波 而从发射到接收到信号过程所经历的时间再乘以波速 即为距障碍物两倍的距离 再将得到的距离值显示在数码管上 关键词关键词 超声波发射接收 信号放大 数码管显示 AbstractAbstract The design is by the two stage NE555 generate enough frequency and intensity of the pulse signal from the ultrasonic transmitting probe launch Pulse signal meets the obstacle return The return signal from the ultrasonic receiving probe after receiving through two stages of amplification demodulation circuit detector From transmitting to receiving signal process time multiplied by the velocity is two times the distance from obstacles The distance values in the digital tube display KeyKey words words ultrasonic emission receiver signal amplification digital tube display 目目 录录 1项目计划 1 1 1引言 1 1 2项目描述 1 1 3项目执行计划 1 2设计说明 2 2 1设计的系统框图 2 2 2各单元模块设计原理 2 2 2 1超声波产生电路 2 2 2 2载波发生器 3 2 2 3发射驱动电路 3 2 2 4超声波接收电路 4 2 2 5时间测量电路 5 2 2 6计数脉冲 6 2 2 7计数 锁存 显示 6 2 2 8电源部分 8 3调试说明 9 3 1调试方法及步骤 9 3 2调试结果 9 4总结 11 5参考文献 11 6附录 11 1项目计划 1 1引言 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知 测量声波 在发射后遇到障碍物反射回来的时间 根据发射和接收的时间差计算出发射 点到障碍物的实际距离 主要是超声波测距主要应用于倒车提醒 建筑工地 工业现场等的距离 测量 由于超声波易于定向发射 方向性好 强度易控制 与被测量物体不需 要直接接触的优点 是作为液体高度测量的理想手段 在精密的液位测量中 需要达到毫米级的测量精度 但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是 只有厘米级的测量精度 通过分析超声波测距误差产生的原因 提高测量时 间差到微秒级 以及用 LM92 温度传感器进行声波传播速度的补偿后 我们 设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度 1 2项目描述 本设计采用有源探头 接收的回波信号在探头内部放大整理后输出 发 射信号也在探头内部耦合驱动传感器 利用时差法来确定传感器和反射物之 间的距离 系统要求 1 不可使用单片机等微处理器 2 额定电压为直流 12V 工作电流最大 500mA 工作温度 30 80 C 3 测量范围 最大有效测量距离 200 厘米 最小测量距离为 30 厘米 1 3项目执行计划 2011 11 22 2011 11 29查资料 完成原理图 PCB 绘制及电 路板的制作 2011 11 29 2011 12 12 电路板的调试 2011 12 06 2011 12 12完成报告的编写 2设计说明 2 1设计的系统框图 2 2各单元模块设计原理 2 2 1超声波产生电路 由一个 NE555 构成超声波脉冲信号发生器 工作周期为 337us 占空 比为 98 的脉冲 超声波发生电路载波产生电路 TX 驱动电路 RX 放大电路检波电路时间测量电路 计数显示电路 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 IC1 NE 555 R2 1M R1 20K C1 103 C2 474 VCC VCC FS Z BXH 图 2 1 超声波产生电路 2 2 2载波发生器 由另一个 NE555 的 4 脚接收上一个 NE555 输出的脉冲信号控制 输出 1ms 频率 40KHz 占空比为 50 的脉冲 停止 64ms 后发送下一个周期 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 IC2 NE 555 R4 5 1K R3 15K C4 102 C3 103 VCC FS Z BXH F FS X H D4 LE D R5 3K 图 2 2 载波发生器 2 2 3发射驱动电路 将第二个 NE555 的输出的单边脉冲信号输入 CD4069 经 4069 中的反相 器把输入的脉冲转化为双边信号 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 IC3 CD 4069 VCC FS X H C5 104 CSB1 TX FS Z BX H FS Z BX HF 图 2 3 发射驱动电路 2 2 4超声波接收电路 超声波接收头和 LMN324 构成超声波信号的检测和放大反射回来的超 声波信号经 LMN324 的两级放大 900 倍 第一级放大 30 倍 第二级放大 30 倍 放大后的信号送至由 D6 D7 C17 R28 组成的包络检波电路中将包络检出 此时检出信号有两个脉冲 前一个为发射机发射时接受到的 后一个才为遇 到目标物返回的信号 为了滤除第一个脉冲 将发射机第二个 NE555 的输 出信号与检出信号分别作为 LM324 的两个输入做比较 滤除第一个脉冲 CSB2 RX 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 IC4 LM N324 R6 RE S2 C7 104 R22 30K R23 1M C8 104 R26 30K R27 1M R7 10K R8 10K C16 104 VCC C6 102 JS SINGL E D5 LE D D7 DIOD E JS SINGL E C17 CA P R28 RE S2 R25 1M R29 47K VCC C18 CA P D8 DIOD E FS Z BX HF D6 DIOD E R24 3K JS XH 图 2 4 超声波接收电路 2 2 5时间测量电路 由 CD4011B 中四个与非门构成 R S 触发器的构成时间测量电路 管脚 12 13 接二级放大后的发射脉冲 管脚 6 接处理过的返回脉冲 在发出检测 脉冲时 管脚 8 输出高电平 当接收到反射回来的检测脉冲时 管脚 8 输出 电平由高变低 故管脚 8 输出的高电平时间即为测试脉冲往返的时间 123456 A B C D 654321 D C B A 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 IC 6 N E555 R 9 200 C 10 103 C 9 103 V CC JS M C 1 2 3 R 10 5K 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 IC5 CD 4011B VCC JS XH TIME X H FS Z BX HF JSMC TIME X H FREQ UEN CY 图 2 5 时间测量电路 2 2 6计数脉冲 由 CD4069 组成计数电路脉冲发生器 由 CD4011 输出的时间测量脉冲 电路频率为 8 912kHz 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 IC7 CD 4069 VCC TIME X H C12 104 C11 104 R12 5 1K D2 1N 4148 D1 1N 4148 R11 5 1K RE SE T LO CK 图 2 6 计数脉冲发生电路 2 2 7计数 锁存 显示 RESET 端输入一个复位脉冲信号使计数器清零 同时与非门被打开 通过 FREQUENCY 脚计数 当 LOCK 端输入一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存 与非门关闭 停止计数 这样就完成了一次计数 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 IC8 MC14553 VCC DS3DS1 DS2 FREQ UEN CY Q0 Q1 Q2 Q3 C13 102 RE SE T LO CK 图 2 7 计数锁存电路 a bf c g d e DPY a 4 b 5 d 9 c 7 dp 6 f 2 g 1 e 10 dp com 3 com 8 SM G1 SMG a bf c g d e DPY 2 dp a bf c g d e dp f1 1 g1 2 a1 3 b1 4 com1 5 com2 6 f2 7 a2 8 b2 9 dp2 10 c2 11 g2 12 d2 13 e2 14 dp1 15 c1 16 d1 17 e1 18 SM G2 SM G 2 DS3DS1DS2 SMG A SMG A SMG A SMG B SMG B SMG B SMG C SMG C SMG C SMG D SMG D SMG D SMG E SMG E SMG E SMG F SMG F SMG F SMG G SMG G SMG G VCC R20 3K B 1 E 2 C 3 PN P1 S8550 PN P2 S8550 PN P3 S8550 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 IC9 MMC4511 VCC Q3 Q0 Q1 Q2 SM G A SM G B SM G C SM G D SM G E SM G F SM G G R13 3K R14 3K R15 3K R16 3K R17 3K R18 3K R19 3K VCC 图 2 8 显示电路 2 2 8电源部分 在电源正负两端分别并 的瓷片电容和 22u 的电解电容起稳压滤波的作用 接 LED 灯显示电路是否通电 为保护发光二极管串 3K 的电阻分压 1 2 3 4 J2 PO WER 1 2 3 J1 PO WER 1 2 3 SWIT CH SWIT CH VCC R21 3K D3 LE D C15 104 C14 22U 图 2 9 电源电路 3调试说明 3 1调试方法及步骤 设计好的电路板用示波器分级观察发射 接收部分的波形是否符合设计要 求 若不符合则分析计算 更换器件或器件参数等 完成此部后将电路通电观 察测距效果 若不理想再返回用示波器观察调试 如此重复往返 得出最好的 测距效果 3 2调试结果 下图为第一个 555 的输出波形 下图为第二个 555 输出波形 f 40kHz 下图为超声波发极探头的波形图 f 40kHz 下图第一个以后的脉冲串为未经检波的反射脉冲信号 下图为检波放大后的反射脉冲信号 4总结 本次气象电子综合设计做的超声波测距电路是采用有源探头 接收的回波 信号在探头内部放大整理后输出 发射信号也在探头内部耦合驱动传感器 利 用时差法来确定传感器和反射物之间的距离 并将距离值显示在数码管上 在本次设计的过程中 遇到了许多困难 做第一块板子很顺利但布局和效 果都不理想 做了第二块板子效果不如第一块 调了很久都没出效果 总的来 说调试的进度比较慢 用时较长 但通过努力 仔细的分析和进行多方面的调 试后解决了一些问题 能测距 能显示 但分辨率还是较低 在此次的气象电子综合设计的过程中 通过自己查资料学到了很多知识 增强了团队合作的意识与自身的综合能力 5参考文献 1 综合电子设计与实践 王振红 张常年 北京 清华大学出版社 2008 2 大气探测原理 张文煜 北京 气象出版社 2007 3 综合电子设计与实践 田良等 南京 东南大学出版社 4 气象雷达原理与系统 何建新 成都 新编 尚未出版 2010 5 电子系统设计 基础篇 第二版 余小平 奚大顺 北京航空航天大学 出版社 6附录 附录一 表 6 1 主要元器件清单 序号元器件名型号数量备注 18 脚时基集成电路NE555 3 2六反相器CD40692 3四运放LMN3241 4四与非门CD4011B1 53 位 BCD 码计数器MC145531 6译码器MMC45111 7单个数码管SMG11 8二联数码管SMG21 9超声波接收探头RX1 10超声波发射探头TX1 附录二 图 6 1 原理图 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 IC1 NE 555 R2 1M R1 20K C1 103 C2 474 VCC VCC FS Z BX H 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 IC2 NE 555 R4 5 1K R3 15K C4 102 C3 103 VCC FS Z BX HF FS X H 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 IC3 CD 4069 VCC FS X H C5 104 CSB1 TX CSB2 RX FS Z BX H FS Z BX HF 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 IC5 CD 4011B VCC 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 IC6 NE 555 R9 200 C10 103 C9 103 VCC JS XH TIME X H FS Z BX HF JSMCJSMC TIME X H 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 IC8 MC14553 VCC a bf c g d e DPY a 4 b 5 d 9 c 7 dp 6 f 2 g 1 e 10 dp com 3 com 8 SM G1 SMG a bf c g d e DPY 2 dp a bf c g d e dp f1 1 g1 2 a1 3 b1 4 com1 5 com2 6 f2 7 a2 8 b2 9 dp2 10 c2 11 g2 12 d2 13 e2 14 dp1 15 c1 16 d1 17 e1 18 SM G2 SM G 2 DS3DS1 DS2 DS3DS1DS2 FREQ UEN CY Q0 Q1 Q2 Q3 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 IC9 MMC4511 VCC Q3 Q0 Q1 Q2 SM G A SM G B SM G C SM G D SM G E SM G F SM G G SMG A SMG A SMG A SMG B SMG B SMG B SMG C SMG C SMG C SMG D SMG D SMG D SMG E SMG E SMG E SMG F SMG F SMG F SMG G SMG G SMG G R