实验四超声波测距电路设计

1、实验三 超声波测距电路设计一实习的性质： 综合二实验目的： 通过本实验了解和掌握超声波传感器测量的原理和方法，加深理解超声波传感器的处理 电路设计，掌握温度补偿的办法及提高测量精度的方法。三、实验的时间分配： 总学时 12 学时1、电路设计 4 学时2、电路焊接 4 学时3、电路调试 4 学时四、实验地点： 东一教 811和 816 实验室五、 实验要求：1、理解超声波测距原理及方法。2、根据给出的题目，参照附录中给定的题目所需的参考资料，自行设计超声波测距的发 射与接收电路，并理解和掌握整体电路的设计思路和电路的工作原理。3、根据设计的电路图独立完成电路的焊接及调试工作，掌握焊接方法及调试步

2、骤。 扩展练习：采用单片机实现超声波测距的原理、方法及接口电路的设计。六、实验原理 声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据振动频率的不同，可分为次声 波、声波、超声波和微波等。1) 次声波：振动频率低于 l6Hz 的机械波。2) 声波：振动频率在 16 20KHz 之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。3) 超声波：高于 20KHz 的机械波。 超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强， 可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。例如，在 钢材中甚至可穿透 10 米以上。超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达

3、界面或者遇到另一种介质时，也像光波一 样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其 能量及波型都将发生变化。超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。取决于两种介质声阻抗特性。和其他声 波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。例如，钢与空气的声阻抗特性 相差 10 万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的 扩散、散射 ( 或漫射 )及吸收。扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能 的减弱；散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；超声波被介质吸

4、收后，将声能直 接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量 输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器（或称压电式超声波探头）和磁致式超声波传感器。本实验 采用的是压电式超声波传感器，主要由超声波发射器（或称发射探头）和超声波接收器（或称 接收探头）两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行工作的。 利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动

5、波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。6.1压电式超声波传感器的原理目前，超声波传感器大致可以分为两类：一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机 械方式产生的超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、 液哨和气流旋笛等。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。在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。压电式超声波发生器的内 部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有 振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，

6、如果两电 极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信 号，这时即为超声波接收器。6.2超声波传感器的测距原理：超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射时刻的同时 开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波 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 计算出发射点距障碍物的距离 S,即：S=340t/2图1超声波传感器结构示意图为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：v=331.4+0.61T式中，T为实际温度（C），v的单位为m/s七注意事

7、项:1. 使用电烙铁注意安全。烙铁会产生高热，万一不小心碰触将会导致严重烫伤, 使用时千万要小心。2. 焊接每个结点不要超过一秒钟：焊接时间过久，会导致焊锡过热反白，电子 零件也会因为过热而损坏，因此要特别注意焊接时间。正常不过热的接点，焊锡会 呈现金属光泽。3. 接点形状：以立体圆弧形状为佳，过大、过小、尖塔状、孔隙没有填满都是 不良的接点形状。4. 检测电子零件：试问您在焊接之前，是否确定每一个电子零件都是好的？是 否都用万用表作过测量？任何一个电子零件故障，都会导致整个电路无法正常工作, 所以这个程序是绝对必要的，您检测了么？八成绩考核：1. 电路设计：30分/4学时2. 焊接电路：30

8、分/4学时3. 电路调试：30分/4学时4. 实验报告：10分九、参考资料：附录一：超声波测距系统的发射与接收电路的设计在工程实践中，超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而 经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、 建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利 用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能 达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。1、超声波测距原理及系统组成超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出到 接收所经

9、历的时间为t,超声波在空气中的传播速度为 v,则从传感器到目标物体的距离 D可 用下式求出：D = V t /2，图2是相应的系统框图：图2超声波测距系统组成框图基本原理：经发射器发射出长约 6mm,频率为40KHZ的超声波信号。此信号被物体反 射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。2、电路原理2.1超声波发射电路由两块555集成电路组成。IC1 (555)组成超声波脉冲信号发生器，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 aaa imu us条件：RA =9.1M 為 RB=150Q、C=0.01 FTL = 0

10、.69 x RB x C=0.69 x 150 x 10 x 0.01 x 10- = 1 msecTH = 0.69 x (RA + RB) x C=0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 106 = 64 msec输出 1ms频率40kHz，IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制,占空比50%的脉冲，停止64ms。计算公式如下:IN调制信号c半/drVcc4 8IC2555623_oq.Ti条件：RA =1.5K Q RB=15Q、C=1000pFTL = 0.69 x RB x C=0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10_12 = 10

11、卩 secTH = 0.69 x (RA + RB) x C=0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 1O12 = 11 卩 sec f = 1/(TL + TH)=1/(10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz由IC3 (CD4069)组成超声波发射头驱动电路。2.2超声波接收电路超声波接收头和IC4组成超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R

12、10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。C9、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IC5组成信号比较电路，对接收信号进行调整输出，供后续电路测量使用，下面分析其工作原理Vcc由Ra、Rb、IC5组成信号比较器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb) = (47K Q x 9V”(1M Q + 47K=0)V所以当IN3点(IC5的反相端)过来的脉冲信号电压高于 0.4V时，0UT4点电压将由高 电平1到低电平0。图示参数的最小测量距离在 40cm左右。附

13、录二：基于ATmega8勺超声波倒车雷达实现方案1引言由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中的传播距离较远，因而超声波经常用于距离 测量，如测距仪和物位测量仪等都可以用超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方 便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移 动机器人、汽车工业等领域中有广泛的应用。本文根据笔者所在的武汉理工大学汽车电子电器研究所研发的一种由单片机开发的超声波倒 车雷达报警器方案，详细介绍了其硬件软件实现过程。2设计目标报警器利用超声波回声测距的原理，测量车后一定距离内的物体，并以AVRmega系列单片机 作为中心控制单元。这种超声波雷达

14、可以及时显示车后障碍物的距离和方位，显示范围为0.5m9.9m当距离大于2m时显示车后障碍物的方位；当距离小于2m时，除了显示其方位外， 还可按照三段距离分别给出三种报警信号，以警示司机三种不同程度的紧急状态，使司机据 此作出相应的操作，防止事故的发生。3超声波测距原理3.1超声波发生器超声波发生器分为两类：一类是用机械方式产生超声波，包括加尔统笛、气流笛等一类是用电 气方式产生超声波，包括压电型、磁致伸缩型和电动型等 ；它们所产生的超声波的频率、功能 和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电型超声波发生器。3.2压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体

15、的谐振来工作的。超声波发生器内部有两个压电 晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有频率时，压电晶 片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未加电压，当共 振板接受到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这是它就成为超声 波接收器了。3.3 超声波测距原理 超声波测距是通过不断检测发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时 间差t，然后求出距离S=Ct/2,式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其速度 C与温度有关，在温度确定后，只要测得超声波往返时间， 即可求得距离。4 Atmega8 的功能特点ATM

16、E公司在2002年第一季度推出的一款新型 AVF单片机。在AVF家族中，ATmega8是一款 非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了大容量的寄存器和丰富的硬件接口电路，具有其他 高档AVF单片机MEG系列的全部特点，采用了小引脚封装（为DIP28），价格却与低档单片机 相当，同时具有AVR单片机的ISP（在线编程）性能。是AVR高档单片机中内部接口丰富、功 能齐全、性价比最好的品种。它的主要性能如下 :4.1先进的RISC精简指令集结构130 条功能强大的指令，大多数为单时钟周期指令 ;32 个 8 位通用工作寄存器 ;工作在 16MHz 时具有16MIPS的性能；执行速度为2个时钟周期的片内乘

17、法器。4.2 大容量的非易失性程序和数据存储器ATmega8L具有可擦写10000次的8K字节Flash程序存储器；支持在线编程（ISP）;擦写100000次的512字节的，1K字节内部SRAM带有独立加密位的可选 BOOT区，通过B00区内的引 导程序区实现在系统编程，而且写操作时真正可读。4.3 外部性能2个比较模式的带预分频的 8位定时/计数器；1 个带有预分频器 ；一个独立振荡器的异步实时 时钟;3个PWNS道;8个通道 A/D/转换，6路10位A/D+2/路8位A/D;6个通道A/D转换，4 路10位A/D+2/路8位A/D;1个I2C的串行接口，1个串行USAR接口，1个SPI同步

18、串行接 口;片内看门狗定时器。4.4 特殊功能包括上电复位和可编程的低电压检测、内部可校准的RC振荡器、五种睡眠模式 （空闲模式、 ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、待命和扩展待命模式）、可用软件选择时钟频率、 可通过一个熔丝选定的兼容模式以及全局上拉禁止等。 ATmega8的独有特点包括上电复位和 可编程的低电压检测、内部可校准的RC振荡器、五种睡眠模式 （空闲模式、ADC噪声抑制 模式、省电模式、掉电模式、待命和扩展待命模式 ）、可用软件选择时钟频率、可通过一个熔 丝选定ATmega8的兼容模式以及全局上拉禁止等。5 系统的硬件设计5.1 超声波发送超声波发送脉冲如图1所示。40kH

19、z的超声波发送脉冲信号由单片机 mega8的PB0口送出， 其脉冲宽度及脉冲间隔均由软件控制。脉冲宽度约为 125卩s200卩s，即在一个调制脉冲内包58个40kHz的方波。脉冲发送间隔取决于要求测量的最大距离及测量通道数。本系统有四路测距通道，采用分时工作，按左、中、右的顺序循环测距。若在有效测距范围内有被测 物的话，则在后一路超声波束发出之前应当接收到前一路发同的反射波，否则认为前一路无 被测物。因此按有效测距范围可以估算出最短的脉冲间隔发送时间。例如：最大测距范围为5m时，脉冲间隔时间t=2s/v=2 X 5/34030ms实际应取t 30ms艦冲 JiruwianjirLTLp 126

20、U H:犯 M ti诸数-kKX-宜区一H納h波nn臨鞍反射波中斷申诸|图i超声波发送脉冲波形图5.2超声波接收回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大60万倍左右。采有三级放大。放大后的交流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是将交流信号整形输出一个方 波信号，此方波信号上升沿使 D触发器触发，向CPU发中断申请。在中断服务程序中，读取 时间计数器的计数值，并结合温度换算出的速度算出发射到接收的距离。5.3时间计测超过波从发射到接收的间隔时间的测定是由单片机内部的计数器T1来完成的。在调试过程中出现的发送部分与接收部分的直接串扰问题是由于换能器之间的距离不大，有部分声波未

21、经 被测物就直接绕射到接收换能器上。从发射开始一直到“虚假反射波”结束这段时间，不会 发中断申请，可有效躲避干扰，但也会形成所谓的“盲区”。本系统的盲区约为20cm左右。5.4报警灯显示由于mega8有较强的驱动能力（驱动电流可达到20mA，可直接由mega8驱动三组（每组四路） 的发光二级管作为报警显示器。6系统的软件设计中断服务程序分为INT0, INT1, T0,T0设置为30ms中断一次，其任务就是每隔30ms产生5 8个40kHz的方波作为超声波脉冲并按顺序送到四个通道，即产生如图1所示的超声波发射脉冲。T0的中断服务程序流程如图2所示：图2中断服务程序流程图INTO中断子程序读取A

22、/D转换结果，并将相应数据值转换为环境温度值；INT1停止TO、T1计 数，根据T1内容计算时间T，并进行最终距离的计算。先计算超声波传播速度： 3 331舟疔曲，再计算距离：d=CT/2，并将计算结果送入缓冲区以备通讯。T1工作在方 式1。7误差分析本系统最大测距误差在8cm左右，测距的盲区为20cm入射角超声波波束对探测目标的入射角的影响。(2) 过零点触发超声波回波声强与待测距离的远近有关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发。(3) 声速修正超声波传播速度对测距的影响。波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响。因此需对声速加以修正

23、。对于测距而言，引起声速 变化的主要原因是媒质温度的变化。本文采用声速预置和媒质温度测量结合的方法对声速进 行修正，可有效地消除温度变化对精度的影响。8结束语该系统经过大量实验数据测试表明系统满足设计要求，通过修改部分子程序可根据需要扩展 成六通道、二通道、单通道的汽车后视仪及根据不同的要求作不同的报警处理。例如在该设 计中加入了一时钟芯片X1203 ,通过添加一些程序就可以实现时钟 显示与倒车报警的二合一产品，有较好的推广价值。附录三：时差法超声测距仪的研制超声波是由机械振动产生的，可在不同介质中以不同的速度传播，具有定向性好、能量 集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强等优点。超声波传感器

24、可广泛应用于非接触式检 测方法，它不受光线、被测物颜色等影响，对恶劣的工作环境具有一定的适应能力，因此在 水文液位测量、车辆自动导航、物体识别等领域有着广泛的应用。本文着重介绍脉冲回波法 的超声空气测距原理及系统构成。1、工作原理超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接 收回波的时间差At,然后求出距离S。在速度V已知的情况下，距离S的计算，公式如下：S= VA t/2在空气中，常温下超声波的传播速度是 334米/秒，但其传播速度V易受空气中温度、湿 度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1C,声速增加约0.6米/秒。因此在测距精度要求很高

25、的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知 现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式如下：V=331.5+0.607T这样，只要测得超声波发射和接收回波的时间差A t以及现场环境温度T,就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。微电脑超声测距仪的硬件结构框图如图1所示。该系统由AT89C2051单片机、超声波发射电路、接收放大电路、环境温度采集电路及显示电路组成ATAT89C2051单片机是整个系统的核心部件，用来协调各部件的工作。先由单片机控制的振荡源产生40KH的频率信号以 驱动超声波传感器，它每次发射10个脉冲。当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数， 在检测到第一个回

26、波脉冲的瞬间，计数器停止计数，这样就能够得到从发射到接收的时间差 At;同时温度采集电路也将现场环境温度数据采集到单片机中，以在计算距离时对超声波 传播速度进行修正。根据所采集到的数据最终利用单片机计算出被测距离，并由显示器显示 出来。超崗我度討都分Il L援菇理T40-12 质期碍挟收轴輕声玄搂收邯分1051 单H机和F转挟图1 微电脑超声波测距仪的硬件结构和时差信号波形1.1单片机与各部分电路的接口本系统以AT89C2051单片机为核心来实现对各部分电路的控制和响应。在进行硬件设计 时，AT89C2051的串行口 RXD TXD分别与显示电路的RXD和TXD相连，构成串行静态显示电 路；定

27、时/记数器T0与V/F转换器LM331的输出端相连，实现频率采集功能；P1.7与CMOS 多谐振荡器的控制端相连，可通过软件使P1.7 口输出高电平或低电平，从而控制超声波的发 射；P1.6通过一个开关二极管IN4148与比较器的基准电压产生电路控制端连接，发射超声 波时置P1.6为“ T; P1.2 口连接比较器LM324的输出端，这样，通过扫描P1.2 口就可以 判断是否接收到回波。1.2超声波发射及驱动电路超声波发射及驱动电路如图2所示，由与非门CD4011组成的CMO多谐振荡器产生40KH、的振荡源，为了控制振荡的产生或者停止，把第一个门U1的一个输入端作为控制端 C,当C=“0”时，

28、振荡停止；C=“1”时，产生振荡。将C端与AT89C2051单片机的P1.7 口连接 后，就可通过微处理器来控制超声波的发射。需要注意的是，控制脉冲的频率（P1.7 口高、低电平的变化频率）必须远低于多谐振荡器的振荡频率。该电路的振荡周期可由以下公式得出：T=2.2RtCt由于超声波的传播距离与它的振幅成正比，为了使测距范围足够远，可对振荡信号进行 功率放大后再加在超声波传感器上。本电路采用CD4049组成驱动电路可将振荡信号的幅度放为防止绝缘电阻下降导致超声波传感器转换性能变坏，不能长时间的对传感器施加直流 电压。因此在电路中串入一个耦合电容 C1，通过它可以将直流电压转换为等幅的交流电压，

29、 从而保证测距仪能够长时间可靠、稳定的工作。1.3超声波接收及过零检测电路超声波接收及过零检测电路原理图如图 3所示。由于超声波在空气中传播时，其能量的 衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器接收信号一般在 1mv1V之间。为了便于使用， 接收电路要提供100倍以上的放大增益。此外，接收传感器输出的是正弦波信号，这就需要 设计交流放大电路。本系统选用两片OP07组成两级放大电路，对接收到的超声波信号进行放 大处理。信号经过放大以后，输入LM324的正端并与基准电压相比较，使LM324的输出端（与 单片机的P1.2 口连接）输出高电平，单片机接收到回波后立即停止记时。图3超声波接收及过零检测

30、电路在单片机控制超声波发射(P1.7置“1”)的同时，P1.6输出一个高电平，给电容 C5 充电，并经一串联分压网络将该电压输出到比较器的负端，这样可以有效抑制由于超声波发 射器发射的超声波直接辐射到接收器而导致的比较器误反转，从而得到错误检测信号。发射 结束后P1.6 口由高电平翻转为低电平，比较器的负端也为低电平，若LM324勺输出端为高电 平，则表明已接收到回波信号。1.4温度采集及V/F转换电路温度采样电路部分包括测温电桥、放大电路和V/F转换电路。其中V/F转换电路原理如图4所示。测温电桥采用铂热电阻 PT100做为温度传感器。经取样电桥采样后，将温度信号 转换成电压信号，再经放大后

31、接入由 LM331组成的V/F转换电路。该电路转换精度高，数字 分辨率可达12位。由公式f0 = Vi/( RLRT)可知，电阻RS RL、RT和电容G直接影响转换结果F0,因此对 元件的精度要有一定的要求。电容CL对转换结果虽然没有直接的影响，但应选择漏电流小的 电容器。电阻R1和电容C1组成低通滤波器，可减少输入电压中的干扰脉冲，有利于提高转 换精度。图4由LM331构成V/F转换电路2、软件设计由于超声发射传感器与超声接收传感器相隔很近，当发射超声波时，接收传感器会收到 很强的干扰信号。为防止系统的误测，在软件上采用延迟接收技术，来提高系统的抗干扰能 力。一旦按下起始键，即发送发射超声波的指令，同时单片机控制系统开始执行程序，完成 对温度的采样、滤波，然后