模拟数字电路课程设计报告书-超声波测距电路的设计

电子技术基础课程设计题目名称：超声波测距仪指导教师：杨子康学生班级：2013级电气7班学号：20134092学生姓名：王航评语：成绩：重庆大学电气工程学院2015年7月6日摘要在现代生活中，随着经济的快速发展，人们的需求也变得越来越多。而超声波测距仪的出现给广大的群众人民带来了很大的便利。超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以经常用超声波来测量距离，如测距仪和物体测量仪，超声波测距仪装置上有设置瞄点装置，只要把仪器对准要测量的目标，就会出现一点在测距仪的显示屏幕上，主要是通过声速来测量的，肉眼看不见射出的线。超声波测距仪用途有许许多多。比如测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，在平时生活中用到的如超声波倒车提示、盲人拐杖等等。超声波测距仪它存在是有现实意义的，这不仅仅只是一个研究，更多的是能够帮助人们更加便利的生活。目录一、设计目的二、设计要求三、超声波电路工作原理四、各部分参数计算及其波形4.1超声波发射电路4.1.1超声波脉冲信号发生器4.1.2超声波载波信号发生器4.1.3超声波驱动电路4.2超声波接收电路4.2.1超声波信号检测与放大4.2.2信号比较电路4.2.3时间测量电路4.2.4计数电路脉冲发生器4.2.5计数显示电路4.3电源电路五、输出波形六、元器件说明及参数选择与计算6.1NJM4580双路运算放大器6.2二极管1N4148七、心得体会一、设计目的1、掌握便携式超声波传感器、波形发生电路的性能与应用；2、掌握常用运算放大电路、数字集成电路、555电路的功能和使用。二、设计要求1、应用于车辆倒车、盲人手杖等测距，携带方便。2、三位LED数字动态显示车与障碍物之间的距离，距离测量范围为0.3-5m，测量精度为1cm。发挥部分具有蜂鸣提示音，小于1m时具有报警提示功能。三、超声波电路工作原理1.超声波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，就是所谓的时间差测距法。四、各部分参数计算及其波形4.1超声波发射电路超声波测距电路采用555定时器U1成时基电路进行超声波发射工作。U2为超声波载波信号发生器，IC1构成超声波发射头驱动电路。因为超声波传感器的中心频率为40kHz，因此驱动发射头的信号也必须为40KHz，而且有一定的功率要求。理想情况下，驱动信号应该为占空比为1的方波，或者是正弦波形。在发射探头允许的电压范围内，驱动信号的幅值应尽量取大，以获得较大的发射功率，从而使系统具有大的测量范围。由555时基电路及外围元件构成40kHz多谐振荡电路输出信号可以满足所有这些要求。调节时基电路中相关电阻的阻值，可以改变振荡频率，最终可以达到40kHz。所设计的电路理想工作电压为9V，工作电流可以达到40-50mA，采用独立的9V电源对555供电，可以增强超声波发射的能量和测量精度。4.1.1超声波脉冲信号发生器由两块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。2脚（TRI），6脚(THR)是555输入端，3脚(OUT)为输出端，7脚(DIS)为放电端，8脚(VCC)接9V电源，电源通过R1,R2对C1进行充电。条件:R1=10.57MΩ、R2=150KΩ、C1=0.01μF假设超声波测距电路能测得最大距离为10米，则波来回时间t=2s/v=20/340=58.8ms故IC1发射出的超声波的周期应大于58.8ms.放电时间常数：TL=0.69xR2xC1=1ms充电时间常数为：TH=0.69x(R1+R2)xC1=70ms周期T=70ms58.8ms振荡频率f=1/(TH+TL)=14.29HZ4.1.2超声波载波信号发生器U2组成超声波载波信号发生器，由U1输出的脉冲信号控制。通过VR1调节载波信号发生器的频率与占空比，C3为充放电电容。要产生40KHZ的超声波振荡频率，周期T=0.025ms，当R4=1.5K,R3=8.2K时，确定电位器VR1的取值。条件:R3=2KΩ、R4=16KΩ、C3=1000pF条件:R3=2KΩ、R4=16KΩ、C=1000pF充电时间常数：TH1=0.69C3(R4+R3)放电时间常数：TL1=0.69C3R4由0.025ms≈TH1+TL1得出R3=2KΩ、R4=16KΩ足以产生40KHZ振荡频率的超声波。4.1.3超声波驱动电路此电路对超声波起驱动作用，以致能够使超声波发射头能够发射出超声波，其中，C2起滤波作用。C20.1u12IC1A406934IC1B40691312IC1F406998IC1D40691110IC1E4069P112U3TX40kHZ仿真图有如下：4.2超声波接收电路超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。4.2.1超声波信号检测与放大超声波接收头和U2A、U3A组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波。信号经U2A、U3A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U2A、U3A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。C4、D3、D5、C5组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至U8A进行处理。4.2.2信号比较电路IC2、IC3、U6、U7、U8组成信号比较、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。仿真图分析电路如下：R21300kR810kD1IN4148D2IN4148D3IN4148R151MC111000pR2216KC190.056uC101000pC50.1uVCCP1P3P2321U5ALM324VR3200KU5-3波形U5-2波形U5-1波形由R21、VR3、R22、U5A组成信号比较器。其中Vrf=(R22xVcc)/(R21+R22+VR3)=(16KΩx9V)/(20KΩ+16KΩ)=0.4V所以当2点（U5A的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，1点电压将由高电平1到低电平0。同时注意到在U5A的同相端接有电容C19和R22，这是用来防止误检测而设置的。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U5A比较器的门限转换电压，并且这个电压由C19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C19的放电保持作用，可防止这时由于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R22及C19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C19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。4.2.3时间测量电路U4A、U5A、U6A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。超声波往返时间ABCD受信信号检出送信受信34.2.4计数电路脉冲发生器ABCD其工作频率f=1/(2.2xCxR)。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340m/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。测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：2m/340(m/s)=5.88ms。这时计数器显示应为100，即1m，此时计数电路脉冲发生器的频率f＝100/(5.88×10-3)=17(kHz)。如电容C为2200pF，此时电阻R=1/(2.2xCxf)=1/(2.2x2200x10-12x17x103)=12KΩ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R3,R4进行调节，其中R4为粗调电阻，R3为精调电阻。同样我们可以算出在不同温度下的计数脉冲这里简单介绍一下计数器的清零及数据锁存过程。计数采用的是3片160十进制数。输出端直接接数码显示管计数。当RS触发器输出端A电位由高位变成低位时，B端由高电位变成低电位。将B连接到160的P、T端实现锁存功能。D端接160的清零端（CLR），当C点电位由低变高时，D端产生一个低电位信号。将其输入160清零端进行清零。ABCD3片160置数端都接高电位，输入端都接地。前一片的输出作为下一片的时钟电路。4.2.5计数显示电路1.计数译码电路当电路正常工作时，160开始计数。当RS触发器接收到超声波的反射信号时，也就是上图中S2断开时，导致接到160的P、T端变成低电平，进行锁存。当要进行下一次计数时，相当于S1由接地变到接高电平，实现160的清零。4.3电源电路C70.1uC60.1u1234D6BRIDGE1121HEADER2+C18100u+C161000uVCCOUTINGNDTCP1L7809+C23100u+C22100u在电源电路中，接入12V电压，通过D6整流，C18,C7滤波及L7809稳压之后输出9V稳定电压接入到电路中。五、输出波形U1-3波形IC1-6波形U2-3波形40KHZU3波形U5-8波形U5-3波形U5-2波形U5-1波形IC3-10波形IC3-4波形IC2-5波形IC2-10波形IC2-1波形IC2-12波形六、元器件说明及参数选择与计算6.1.NJM4580双路运算放大器NJM4580是双路运算放大器，具有无噪声、更高的增益带宽、高输出电流和低失真度，不仅非常适用于音响前置放大器的音响电子部分和有源滤波器，还适用于工业测量工具。它可应用于通用方便型运算放大器，以及应用于适当偏置低电压源的低电压单电源型。主要参数如下：工作电压(±2V到±18V);低输入电压噪声(一般为0.8μVrms);宽增益带宽积(一般为15MHz);低失真度(一般为0.0005%);转换速率(一般为5V/μs)6.2.二极管1N41481N4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速，100V反向耐压和150mA平均正向电流，非常适合一般场合做普通整流用。4pF的结电容和4nS的反向恢复时间足够满足多数场合使用。非常易于获得，以及价格低廉，通用性极广的一个小信号高频二极管。1N5819的特点是速度超快（开关损耗低），正向压降特低（电压损耗低），不过反向耐压也低，通常少于60V，适用于低压(不高于12V)开关电源。1N4148则是点接触型的小电流高频开关二极管，速度高，不过工作电流才150mA主要参数：电流：正常正向电流If:150mA；最大正向电流Imax:300mA；最大重复峰值电流Ifs:450mA电压：最大重复峰值电压Umax:100V；最大连续反向电压Urrm:75V；最大正向电压Uf:1V时间：反向恢复时间trr:4ns功率：最大功耗Ptot:500mW七、心得体会在这次的电子设计中，我学到了很多。不仅仅是学到了很多知识，还提高了自己的动手能力和创新能力。通过自己设计电路来解答问题，带给了我一种前所未有的成就感。其次，我还明白了团结的重要性。光靠一个人来完成设计是非常困难的。然而一个小组来就简单了很多。我们有不同的想法和设计。然后我们再