超声波接近探测器5元

1、河南科技学院机电学院电子课程设计报告题目：超声波接近探测器专业班级：电气工程及其自动化064姓名： 马 继 辉 时 间：2008.6.16 2008.6.29指导教师： 张 伟 邵 锋 徐君鹏 完成日期：2008年06月 27日超声波接近探测器的设计任务书1设计目的与要求设计一个超声波接近探测器控制电路，要认真并准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能： （1）采用超声波换能探头；（2）当有物体接近时具备声光报警功能；（3）能够显示被测物体的距离。2设计内容（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；（2）确定元器件及元件参数；（3）电路仿真；（4）sch文件生成与打印输

2、出。3编写设计报告写出设计的全过程，附上有关资料和电路图，有总结体会。4答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。 目 录1引言32总体设计方案32.1设计思路 32.2总体设计框图 43设计组成及原理分析 43.1超声波发射电路及原理 43.1.1超声波发射电路所用元器件 43.1.2超声波发射电路工作原理 43.2超声波接收电路工作原理53.2.1超声波接收电路所用元器件 63.2.2超声波接收电路工作原理63.3结果显示电路及原理73.3.1结果显示电路所用元器件73.3.2结果显示电路工作原理73.4电路说明104总结与体会 11参考文献 12附 录 一 12附录二 13超声波接近探测器摘

3、要：本文采用时间差测距发利用超声波换能探头发射和接受超声波，通过4553计数在结果显示电路显示出来被测物体的距离。关键词：超声波，超声波换能探头，时间差测距法1 引言 现代社会飞速发展，人类利用发达的科技仿照一些动物的器官功能制造出先进的工具和仪器，给人们的生产和生活带来了极大的便利。再者对于一个国家的来说超声波的应用也关系到国家的安全，比如雷达系统和反雷达系统等等。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离

4、探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检侧、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。 随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。超声波的利用广泛在工业

5、和生活中都有很多地方用到。我根据自己所掌握的知识的程度以及参考一些资料对超声波接近探测系统作了简单研究。超声波距离测量电路可以分为三部分即：超声波发射电路、超声波接收电路、结果显示电路，超声波发射电路用到555定时器组成脉冲信号发生器和超声波载波信号发生器，结果显示电路用到cd4533，cd4511组成的模数转换和led驱动电路。设计报告分为五个部分，引言，设计方案，电路各个功能块的分析介绍，总结和体会，最后是整个设计的参考文献及附录。2 总体设计方案超声波接近探测器是利用超声波的速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物后反射回来的时间，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。因此

6、可利用雷达原理来解决超声波测距问题。2.1 设计思路超声波属于声波的一种类型，具有340m/s的已知速度v，只要测所需要的时间t就可以知道准确的距离s。时间的测量采用时间差法，测量超声波到障碍的时间要通过计时器实现。超声波的产生采用脉冲信号，脉冲信号可以用cd4553计数，发射头用t40-16接收头用r40-16采用压电式超声波换能探头。结果显示需要模数转换器和led显示驱动。2.2 总体设计框图总体设计框图如图1超声波脉冲信号产生电路发射头发射头驱动电路载波信号发生电路接收头测量电路信号比较电路显示电路计数电路 图1设计的框图的具体说明如下：先由超声波脉冲信号产生电路产生超声波脉冲信号经过载

7、波信号产生电路载波后经发射头驱动电路和发射头把超声波发射出去。经障碍物反弹后在接收头接收超声波。返回信号和发射信号在信号比较电路比较，再由测量电路测量后得到时间差信号。时间差信号在计数电路测量后送给显示电路显示结果。3设计组成及原理分析对总的设计方案作了简单分析后，我再对系统的四个部分作个详细介绍。此部有三部分组成，分别为超声波发射电路、超声波接收电路和结果显示电路。3.1 超声波发射电路及原理3.1.1 超声波发射电路所用元器件555定时器ic2、电阻ra，rb、电容c、压电超声波换能探头3.1.2 超声波发射电路工作原理复位由两块555集成电路组成。ic1（555）组成超声波脉冲信号发生器

8、工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。h h#c3c$5s63473图如2 电子开发社区门户ogpa#ps5g7w$o2a 图2条件: ra =9.1m、 rb=150k、 c=0.01f)n!dy+f&l f(q63473tl = 0.69 x rb x c电子开发社区门户sdz5k$ia= 0.69 x 150 x 103x 0.01 x 10-6= 1 msec.s5zo3)d63473,k e3ztvn63473th = 0.69 x (ra + rb) x cf0u,g9b9jzu*g63473= 0.69 x 9250 x 103x 0.01 x 10-6

9、= 64 msecxq*d l+aqr/a6f63473电子开发社区门户o4fyn/j1va(oic2组成超声波载波信号发生器。由ic1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40khz，占空比50的脉冲，停止64ms。计算公式如下：#n8p,v k(ad63473电子开发社区门户e hl,&|;l u条件: ra =1.5k、 rb=15k、 c=1000pf电子开发社区门户yn4s3jg)j,o3bmtl = 0.69 x rb x c9u 1ruoukv63473= 0.69 x 15 x 103x 1000 x 10-12= 10sec电子开发社区门户dag pr%knlf电子开发社区门户0

10、hc!qxx b8ft|th = 0.69 x (ra + rb) x c电子开发社区门户gkt+ipzr4c6d= 0.69 x 16.5 x 103x 1000 x 10-12= 11secic3（cd4069）组成超声波发射头驱动电路。图如3电子开发社区门户/i xvt 图33.2 超声波接收电路工作原理3.2.1 超声波接收电路所用元器件njm4580dic4、电容c7,c8、电阻r5,r6、r8,r10、超声波换能探头3.2.2超声波接收电路工作原理如图4图4超声波接收电路:_g/c.n%mwm6e5e63473 电子开发社区门户:mg4zg:xwvme k超声波接收头和ic4组成超

11、声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经ic4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ic4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见图5图5图6电子开发社区门户mc nwf3lgsyc9、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ic5进行处理。电子开发社区门户vq |-+r*n&tommzn ic5、ic6、ic7、ic8、ic9组成信

12、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。图如6电子开发社区门户_y0e+js#a电子开发社区门户/|lhkbs.k 由ra、rb、ic5组成信号比较器。其中&?-l7gstsp1n+u 63473vrf = (rb x vcc)/(ra + rb)= (47k x 9v)/(1m + 47k)= 0.4v电子开发社区门户9b ?-nktxj 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c11和二极管d3，这是用来防止误检

13、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ic5比较器的门限转换电压，并且这个电压由c11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c11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d3及c11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c11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见图7

14、图7。 3.3 结果显示电路及原理3.3.1 结果显示电路所用元器件cd4011ic6、cd4553ic8、cd4069ic7、cd4511ic9、led七段显示led1,led2,led3、电阻电容数个、二极管数个、三极管数个3.3.2 结果显示电路工作原理图8ic6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。电子开发社区门户i. q z8计数和显示电路由ic6、ic7、ic8、ic9组成，ic7组成计数电路脉冲发生器，原理图如下。电子开

15、发社区门户t:n)o6c8c4kbm 0f:a+ 图9t)cpd63473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。5|n_b85s63473j|p)x1nx/t,63473有关计算如下：j-v;id1hb9i63473 测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：2m/343.5(m/s)=5.82ms。这时计数器显示应为100，即1m，此时计数电路脉

16、冲发生器的频率f100/(5.8210-3)=17.18(khz)。如电容c(即c14)为2200pf，此时电阻o5x#u.i9ss63473r = 1/(2.2 x c x f)3d(g1mjr:u63473= 1/(2.2 x 2200 x 10-12x 17.18 x 103)= 12k电子开发社区门户+z,g6a he6a6zg&wm%h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，如：温度为46.5 时，

17、.j5w!?c63473f = 1/(2.2 x c x r)r0a5p!4ng,t63473= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 11.5 x 103)17.97khzz(,p5g:z63473环境温度为1.5 时f = 1/(2.2 x c x r)w*k-xb o gh63473= 1/(2.2 x 2200 x 10-12 x 12.5 x 103)= 16.53khz电子开发社区门户 a4m!k h/f|u 实际上，在不同环境温度下时，我们只要测试标准距离1m，调节计数电路脉冲发生器的频率（vr2和vr3），使其显示为100即可。 图10这里简单介绍一下计数器的清零及数

18、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c1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c2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。o9wm4d z;g:k#y5e8g63473电子开发社区门户e+acsvy4a9nc15用于控制显示部分的刷新频率，当c15为1000pf时，刷新频率为1100hz，由ic9、led1-led3、tr1tr3组成显示电路。如图10、11图113.4

19、 电路说明及电路设计图（1）调节计数电路脉冲频率kf!oex%q |1y6让电路板垂直于墙面1m处，调节vr3在中间位置，再调节vr2使显示1.00，但在环境温度改变时，一般需再次调节vr2，校准测距仪。电子开发社区门户o1_g b*j （电子开发社区门户%x?jxqr2 2） 关于短距离的测量zk m|y63473 当我们将测距仪逐渐靠近被测物体，最终读数显示在34cm左右。因为这个电路c11取值为0.1uf，由于防误检测电路的保护作用，所以最小测试距离限制为34cm左右，如要进一步缩短测试距离，由前面分析可知，我们必须让发出的测试脉冲宽度更窄，同时减小防误检测电路c11的容量。但由于超声波

20、发射器的输出功率有限，如果缩短测试脉冲时间，意味着减小了测试脉冲的输出功率，在测试距离增加时，会使反射回来的信号很弱，造成仪器在长距离测量时受到影响。电子开发社区门户y1atj( 4,p（nmf d?z?63473333 3） 关于长距离测量电子开发社区门户 +zcq;q 长距离测量由于各种因素的影响会困难一些。有几点测量时我们必须注意：电子开发社区门户 u w!zo h被测目标必须垂直于超声波测距仪。电子开发社区门户bn6_g!gzs被测目标表面必须平坦。,$yf;y#63473测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体。电子开发社区门户5j)t!y fv3mw由于发射功率有限，测距

21、仪无法测量10m外的物体。总的设计电路图如下图12 图124 总结与体会超声波接近探测器应用很广泛，但是由于自己水平有限在设计过程中有很多地方不完善，达不到现实中的要求。不过我尽自己的努力制作了这样一个超声波距离探测器。在设计中自己学到了很多知识，比如由555组成的脉冲信号发射电路和超声波载波信号等。还有因为超声波信号是脉冲信号，所以用cd4553计数器可以计算出时间差。很多是自己的课本上的知识但是又巩固了很多。经过这次课程设计，我自己就认为这是一次真正的设计，只有真正的设计才能考验我们的知识、耐力和勇气。要作一位真正的研究人员必须要认真对待每一个信息，认真探究每一中可能，尽力排除系统误差。这不仅是对一种即将进入社会的产品的责任更是作为研究员的责任。我想在学校有很多的学习资源，趁着还年轻我们要学习的更多，只有不浪费这四年的学习时光把所学好的学好我们的未来是美好的。参考文献1 康华光.电子技术基础,数电部分(第五版)m.北京: