电子技术课程设计报告_硬件超声波测距仪

1、电子技术课程设计报告设计题目超声波测距仪学 院：班 级：姓 名：学 号：2012年1月5日目录1 课程设计目的 22 课程设计任务和要求 22.1 课程设计任务 22.2 课程设计要求 23. 课程设计内容 23.1 方案选择及说明 23.2 系统框图 33.3 模块的实现 33.3.1 40KHz 信号发生器 33.3.2 闸门信号发生器 . 43.3.3 电子开关与超声波换能器驱动电路 53.3.4 接收放大电路 . 53.3.5 信号调理电路 . 63.4 信号波形图 73.5 闸门周期计算 73.6 总原理图 83.5 实物电路搭建 94. 实物测试及实验结果 105. 设计总结 13

2、6. 参考资料 131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2.1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 -67dB40KH z, 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6

3、0度-6dB工作温度-20+702.2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3.1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Vo 340m/s，故若1测得从超声波发射至接收到反射波的时间为 t，则s *Vot，即被测距离与时间t 成正比。由电子学知识，占空比为d，高电平电压为V的PWM波经低通滤波后可得直 流电压，其值为v vd，与d成正比。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

4、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3.3.1 40KHZ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。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

5、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%勺方波，再经一片CD4518进行二分频，得到40KHz占空 比为50%勺方波。图2所示电路将从图中标号为22的网络输出40KHZ方波。U2AUIA1 7+HC04D_GVVAU1B1XULMR!wcn 5v74HO4D_tV CPIIIZBnu1EtcIDSMHz230pF10%3.3.2 闸门信号发生器4518BD 5V5 _U3AH&lFS14518BD 5V图2.40KHZ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

6、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500 s。设计使用时基集成电路NE555乍为闸门信号发生器，采用典型的多谐振荡器 电路。闸门开启时间固定为693 s。若调节R5则可改变闸门信号周期。图3所示电路将从图中标号为24的网络输出闸门信号。24R|)1vcc2JKey=AiknR228VCCBITOUTT

7、BICdHTO4-T|lF5%CXIIOiiF TlO%Cf丄 L11555 CMTime I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

8、25的网络输入闸门信号，标号为 27的网络输入 40KHZ方 波。252714t1CO4 D_6V 7A HOOD_6VU1EU7B74H4H04_tVU1CCOOD_6VU1Dr一74HC04l GV 71HC04D GV30 SP8BUZZER40kHz图4.开关与换能器驱动电路3.3.4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。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MK.BHZ7ER40kHz11

9、丄处C3 LR2=bl00nF47kOR5 1knWV51kftRJAAA-47kn兀USALM358P C62 LC5Tl-IOOiiF30iknR7AW51kflIJ5BLM358P5图5.接收放大电路3.3.5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。年C5VR950%10k0 - _La3*doB 3U4yonR11kK-LU

10、774HCOOD GV 4U7D7-lHCOOD tV图6.信号调理电路3.4信号波形图扳疡IW弓闸门信号发射换能需串极 电放大岂腐输出信号比较器输出信号J-图7信号波形示意图3.5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5t丄v0t解得T 21T s 29.4ms。此时数字电压表的示数即为所测距离。343.6总原理图yetWICJ nDUEfER Wr=EimriF(JfiAlLMUfi p CdRS _-AYv 5JkO1CVCClDOk) i74HCO4OwvIMQ-L30

11、Fif10%L4E3AH亠51 toIQ m1Ckfl17 l 粗h1CChF 1 fcnHCWD-V74HCOOD 6A30 gp THCDOD &Y I rHi 4HID04CL3VI.meurn |g 1n_| DLISBCHI 43He 7HIDDdC SVTZHCC1D EV吧侶fens/图8.系统原理总图3.5实物电路搭建II 捡ma-i 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STC12C5202A弾片机模拟对应部分的波形。4.实物测试及实验结果图io.测量到上铺床板的距离图ii.测量到天花板的距离II nrIIIH33 34 35 36 37 38 39 40 4 1 42 43rEXCELDT9205a1 1j 4i =41图12.标定测距5. 设计总结经实践检验，本系统设计比较合理，工作稳定，且均