超声波面积测量仪设计报告

1、电子设计报告超声波面积测量系统设计小组成员院系名称 专业名称班 级二O四年7月24日超声波面积测量系统设计内容提要：本设计是基于FPGA与DSPS计的一个超声波面积测量系统。在分析了超声 波测面积原理的基础上，系统通过 DSF控制FPGA产生一个40kHz的方波来控制 超声波发射器发射出40kHz的超声波，当发射出去的超声波遇到障碍物时会反射 回来，反射回来的超声波经过超声波接收器接收到送入 DSP和FPGA中进行处理， 利用步进电机使发射器和接收器旋转一周， 每旋转一个角度计算出其面积， 旋转 一周过后通过累加计算出测量范围的面积。在整个超声波测量面积系统的硬件电路模块中主要的电路设计有超声

2、波发 射电路、超声波接收电路、温度补偿电路构成。其中发射电路通过FPGA与反相器74LS04来控制发射器发射超声波，接收电路主要采用的是CX20106另外，为了提高测量的精度在电路中又加入了温度补偿电路， 通过温度传感器来测量温 度实现温度补偿，经过反复的验证，这一方案是可行的。超声波距离与面积测量系统在实际中有着广泛的应用，由于超声波指向性 强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远。利用超声波测距与测量面积可以 更加快捷方便的对面积进行测量并且还利于计算、 易于控制， 在工业农业上有着 广泛的应用，所以本次课题有着深远的意义关键词：目录1 引言 12 系统设计方案及工作原理 12.1 方案设

3、计与论证 12.1.1 超声波传感器频率选择 12.1.2 超声波发射器选择 12.1.3 放大整形电路选择 12.2 系统工作原理 2超声波测距原理 22.2.2 超声波测面积原理 23 硬件电路设计 33.1 超声波驱动电路设计 33.2 超声波接收电路设计 34 软件设计 55 参考文献 61 引言超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声技术室通 过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、 定向及反 射、投射等特性，正是因为这些特性，使得超声波得到了更广泛的应用。随着电 子测量技术的发展，电子测量技术的应用越来越广泛，而超声波测量精度高， 成 本

4、低，性能稳定。 超声波在介质中传播遇到障碍物也会发生反射现象，正是因为 它的这一性质， 使得超声波可以用于距离与面积的测量， 随着社会的不断进步与 工业科学技术的不断提高， 超声波测距技术与测量面积的技术也广泛的被人们在 日常工作与生活中应用。超声波面积测量系统的原理是根据超声波测距的原理先测量出距离， 然后通 过核心处理芯片DSP来计算出测量范围的面积，在这之中，超声波发射器向某一 方向发射超声波，在发射的同时 DSF开始计时，途中遇到障碍物就立即返回来， 超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。 超声波在空气中传播的速度随温度 变化而有规律的变化， 根据计时器记录的时间 t 就可以计算出发

5、射点距离障碍物 的距离即：s vt/2，通过多次测量进行累加的方法即可得出测量范围的面积。2 系统设计方案及工作原理2.1 方案设计与论证2.1.1 超声波传感器频率选择超声波是谐振频率高于 20kHz 的声波，超声波为直线传播方式，频率越高，衍射能力 越弱， 但反射能力越强。 利用超声波的这种特性制成的超声波传感器是一种既可以将电能 转化为机械能、 又可以把机械能转化为电能的器件。 它在电脉冲的激励下可以将电能转换 为机械能向外发射超声波；当它处于接收状态时，可以将机械能转换为电能。目前较常用 的超声波传感器频率为 25kHz 与 40kHz 频率的超声波传感器。频率越高其测量精度就越 高，

6、但是其在传播过程中能量损耗就越大即衰减更大， 但是衰减大可以通过放大弥补回来， 故最终我们选择的是 40kHz 频率的超声波传感器。2.1.2 超声波发射器选择为了研究利用超声波， 人们已经设计和制造了许多超声波发生器。 超声波 发生器可以可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方 式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有液 哨和气流旋笛等类型。 它们所产生的超声波的频率、 功率和声波特性各不相同， 因而用途也各不相同。由于我们利用超声波来测距，所以我们选择的压电式超 声波发射器。它是利用压电晶体的谐振来工作的。2.1.3 放大整形电路选择 超声波接收

7、器接收到反射回来的超声波信号比较微弱，所以要经过放大与整形后才能送入DSP中进行处理，放大电路整形电路设计有以下两个方案：方案一：利用运算放大器 NE5534设计差分放大器与同相放大器， NE5534 噪声较小，同时带宽和频率完全可以达到本次设计的要求，故可以利用 NE5534 设计三级放大器，放大过后利用 NE5534构成迟滞比较器可以将接收到的波形整形成为方波。方案二：利用CX20106超声波专用接收处理芯片可以将接收到的超声波进 行一定的处理，在这之后可以利用 NE5534设计两级放大电路对接收到的信号进 行放大。在对接收到的波形进行整形上， 我们选择LM311比较器进行整形，可以 达到

8、设计的要求。通过对比以上两个方案，我们选择方案二进行设计 2.2系统工作原理超声波测距原理超声波测距最常用的超声波测距方法是回声探测法它的原理是超声波发 射器向某一方向发射超声波，在发射的同时 DSP内的计时器开始计时，超声波 在空气中传播，途中碰到障碍物就会反射回来，超声波接收器收到反射回来的 超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s,根据计时器记 录的时间t，就可以计算出发射点距离障碍物的距离，即s 340t/2。由于超声波也是一种声波，其声速 v与温度有关。在使用时，如果传播介 质温度变化不大，则可近似的认为超声波速度在传播过程中是基本不变的。如 果对测距精度要求很

9、高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以校正。本次 设计中由于设计测量的精度较高，故必须进行温度校正，所以利用温度传感器 测量温度对该时刻超声波的速度进行校正。超声波速度确定后，只要测得超声 波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距的基本原理。其原理图如下 图1所示：t超声波发射Sr<=>超声波接收十S<=>障碍物图1超声波测距原理超声波测面积原理将超声波发射器和接收器安装到步进电机上，通过DSP控制步进电机转动 一定的角度，然后通过测量得到的两个距离测量出转动角度的面积，步进电机 转动一周后就得出了 N个面积，在最后将N个面积累加起来，就得到了所测量 范围的面积，

10、其每步测量的原理图如下图 2所示：图2每步面积测量原理综合以上所述，系统总体框图如下图 3所示:3硬件电路设计3.1超声波驱动电路设计超声波发射器通过 FPGA构造的DDS输出的方波来控制其发射出去超声波，故要将DDS输出的方波进行电压放大与功率放大，其中电压放大采用NE5534构造的同相放大器,功率放大器采用 THS3091构造的功率放大器进行放大，其电压放大电路图如下图4所示,功率放大电路如下图 5所示：图4放大电路原理图图5功率放大电路原理图3.2超声波接收电路设计由于超声波接收器接收到的信号经过传播过后能量损耗比较严重，故所接 收到的信号是比较微弱的信号，所以要对接收到的信号进行放大，

11、为了保证放大 倍数，我们采用的是三级放大器，第一级采用的是NE5534构造的同相放大器，第二级放大器采用的是差分放大器以减小噪声信号，第三级采用的是同相放大 器。又因为DSP与 FPGA智能识别0-3.3V的方波信号，所以在最后利用LM311构造了一个加压整形电路将输出信号变为在0-3.3V之内的信号并且整形成方波,第一级放大电路如下图6所示：图6第一级放大电路第二级放大电路如下图 7所示：图7第二级放大电路图 第三级放大电路如下图8所示：图8第三级放大电路图LM311加压整形电路如下图9所示:图9加压整形电路4软件设计软件的设计主要是控制超声波发射器发射超声波，并且在其发射的那一刻开始计时，在超声波接收器接收到反射回来的超声波后即停止计时，并且通过超声波在空气中传播的时间计算出测量的距离， 然后控制步进电机旋转一定的角度 后再次测量距离，测量过后开始计算该范围的面积，然后步进电机旋转一周，依次进行计算，一周过后算出测量范围的面积。软件的流程图如下图10所示：液晶键盘DSPFPGA开始发射 超声波n计算距离计时结束推动步进电机转动接收到超