电子技术课程设计报告——硬件超声波测距仪.doc

电子技术电子技术 课程设计报告课程设计报告 设计题目 设计题目 超声波测距仪超声波测距仪 学学 院 院 班班 级 级 姓姓 名 名 学学 号 号 2012 年年 1 月月 5 日日 1 14 目目 录录 1 课程设计目的 2 2 课程设计任务和要求 2 2 1 课程设计任务 2 2 2 课程设计要求 2 3 课程设计内容 2 3 1 方案选择及说明 2 3 2 系统框图 3 3 3 模块的实现 3 3 3 1 40KHz信号发生器 3 3 3 2 闸门信号发生器 4 3 3 3 电子开关与超声波换能器驱动电路 5 3 3 4 接收放大电路 5 3 3 5 信号调理电路 6 3 4 信号波形图 7 3 5 闸门周期计算 7 3 6 总原理图 8 3 5 实物电路搭建 9 4 实物测试及实验结果 10 5 设计总结 13 6 参考资料 13 2 14 1 课程设计目的课程设计目的 1 结合所学的电子电路的理论知识完成硬件超声波测距仪设计与制作 2 通过该设计学会并掌握常用电子元器件的选择和使用方法 3 提高自己综合分析问题和解决问题的能力 2 课程设计任务和要求课程设计任务和要求 2 1 课程设计任务课程设计任务 运用模拟电路 数字电路与 TCT40 16 型超声波换能器设计并制作一个以硬 件电路实现的超声波测距仪 表 1 TCT40 16 参数 参数典型值单位条件 标称频率 40 0 1 0KHz 接收灵敏度 67dB40KHz 0dB V ubar 发射声压 117dB10V 0dB 0 02mPa 静电容量 2000 30 pF1KHz 最大输入电压 60Vp p 指向角 60 度 6dB 工作温度 20 70 2 2 课程设计要求课程设计要求 1 输出一个直流电压信号表示测得的距离 2 以市售数字电压表测量并显示该电压值 3 距离与直流电压应存在比较简单的对应关系 3 课程设计内容课程设计内容 3 1 方案选择及说明方案选择及说明 由物理学知识 声波在空气中传播的速度近似为一常数 故若smv 340 0 3 14 测得从超声波发射至接收到反射波的时间为 则 即被测距离与时间 t tvs 0 2 1 t 成正比 由电子学知识 占空比为 高电平电压为的 PWM 波经低通滤波后可得d 0 V 直流电压 其值为 与 d 成正比 dVV 0 故本方案设计为 输出一个 PWM 波 其正脉冲对应超声波从发射到接收的 时间 则由上述知识可知 低通滤波器将输出一个与被测距离成正比的直流电 压信号 只需合理选择参数 即可调整比例系数使得所测距离适合在数字电压 表上直接读取 3 2 系统框图系统框图 40KHz信号 发生器 闸门信号 发生器 超声波发射 换能器 超声波接收 换能器 电子开关 驱动电路 接收放大电路信号调理电路 市售数字电压表 含低通滤波器 图 1 系统模块框图 3 3 模块的实现模块的实现 3 3 1 40KHz 信号发生器信号发生器 由于超声波换能器的通频带比较窄 偏离中心频率将导致换能效率大幅下 降 因此需要设计一个精确的 40KHz 振荡器 受限于目前的工艺水平 电容元件的精度只有 10 左右 因此若使用 RC 振 荡电路则必须设置可调电阻进行调试 增加电路复杂性 并且容易产生漂移 4 14 而晶体谐振器则在频率精度 温度稳定性 时间稳定性及价格上具有很大 优势 以 8MHz 晶振谐振器为频率基准 74HC04 为高增益反相放大器的振荡器 经整形能输出 8MHz 方波 经一片 CD4518 双十进制计数器级联进行 100 分频后 生成 80KHz 占空比为 20 的方波 再经一片 CD4518 进行二分频 得到 40KHz 占空比为 50 的方波 图 2 所示电路将从图中标号为 22 的网络输出 40KHz 方波 图 2 40KHz 信号发生器 3 3 2 闸门信号发生器闸门信号发生器 根据超声波测距的原理 需要不断发送短促的超声波脉冲序列 并测量从 发射到接收的时间 因此需要生成一个周期较长 占空比较小的闸门信号 在 闸门信号有效时对外发射超声波 当闸门信号关断时停止发送 等待返回的超 声波信号 根据超声波测距的原理 闸门信号周期应大于声速与两倍量程上限所需时 间的乘积 闸门信号有效时间应使超声波换能器稳定振荡 考虑到本测距仪的 设计量程为 5 米 故设计闸门时间周期 T 约为 30ms 并可调 闸门有效时间约为 500s 设计使用时基集成电路 NE555 作为闸门信号发生器 采用典型的多谐振荡 器电路 闸门开启时间固定为 693s 若调节则可改变闸门信号周期 1 Rp 图 3 所示电路将从图中标号为 24 的网络输出闸门信号 5 14 图 3 闸门信号发生器 3 3 3 电子开关与超声波换能器驱动电路电子开关与超声波换能器驱动电路 为使超声波发射换能器能在闸门开启时间内工作 需要将闸门信号调制到 40KHz 振荡信号上 由于闸门信号为负脉冲 需要用 74HC04 反相器转化为正脉 冲后 对 40KHz 振荡信号用 74HC00 与非门进行调制 形成输出给换能器的信号 为了使超声波发射换能器输出最大功率 需要在其两个电极上加反相信号 即使用类似 BTL 功放的桥式驱动方式 驱动电路使用了 74HC04 中剩余的 3 个反 相器 故整个系统仅需一片 74HC04 达到节省元件的目的 图 4 所示电路中 标号为 25 的网络输入闸门信号 标号为 27 的网络输入 40KHz 方波 图 4 开关与换能器驱动电路 3 3 4 接收放大电路接收放大电路 超声波接收换能器可等效为一个高内阻 低幅值的信号源 需要设计一个 放大电路 6 14 这里选用单电源集成双运放 LM358 作为运算放大器 使输出具有较大摆幅 且便于设置两级放大 避免单级放大倍数过大产生信号失真 图 5 所示电路将从图中标号为 7 的网络输出经放大的反射超声波信号 图 5 接收放大电路 3 3 5 信号调理电路信号调理电路 经接收放大电路放大的模拟信号需要经过一个比较器转化为数字信号 然 后与闸门信号一起接入由 74HC00 剩余的两个与非门构成的 RS 触发器 这样可 以充分利用已有器件的功能 节省成本 图 6 所示电路中 标号为 3 的网络输入放大电路输出信号 标号为 6 的网 络输入闸门信号 标号为 5 的网络输出被测 PWM 波 图 6 信号调理电路 7 14 3 4 信号波形图信号波形图 图 7 信号波形示意图 3 5 闸门周期计算闸门周期计算 由波形图 输出 PWM 波的占空比为 d t T 由于工作电压 Vcc 5V 输出电 压为 V 5t T 为了读数方便 令比例系数 k 1V m 则由方程解得tv T t 0 2 15 此时数字电压表的示数即为所测距离 mssT 4 29 34 1 8 14 3 6 总原理图总原理图 图 8 系统原理总图 9 14 3 5 实物电路搭建实物电路搭建 图 9 实物电路 注 由于元件采购渠道不畅等原因 40KHz 振荡器及闸门信号发生器无法搭建 这里 使用一片 STC12C5202AD 单片机模拟对应部分的波形 10 14 4 实物测试及实验结果实物测试及实验结果 图 10 测量到上铺床板的距离 图 11 测量到天花板的距离 11 14 12 14 图 12 标定测距 13 14 5 设计总结设计总结 经实践检验 本系统设计比较合理 工作稳定 且均采用廉价易得的元件 有