电子技术课程设计报告硬件超声波测距仪.docx
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电子技术课程设计报告硬件超声波测距仪
《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
1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±1.0
KHz
接收灵敏度
≥-67
dB
40KHz,0dB=V/ubar
发射声压
≥117
dB
10V,0dB=0.02mPa
静电容量
2000±30%
pF
1KHz
最大输入电压
60
Vp-p
指向角
60
度
-6dB
工作温度
-20~+70
℃
2.2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
，故若测得从超声波发射至接收到反射波的时间为
，则
，即被测距离与时间t成正比。
由电子学知识，占空比为
，高电平电压为
的PWM波经低通滤波后可得直流电压，其值为
，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
图1.系统模块框图
3.3模块的实现
3.3.140KHz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%的方波，再经一片CD4518进行二分频，得到40KHz、占空比为50%的方波。
图2所示电路将从图中标号为22的网络输出40KHz方波。
图2.40KHz信号发生器
3.3.2闸门信号发生器
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作为闸门信号发生器，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
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。
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25的网络输入闸门信号，标号为27的网络输入40KHz方波。
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。
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。
图6.信号调理电路
3.4信号波形图
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
解得
。
此时数字电压表的示数即为所测距离。
3.6总原理图
图8.系统原理总图
3.5实物电路搭建
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STC12C5202AD单片机模拟对应部分的波形。
4.实物测试及实验结果
图10.测量到上铺床板的距离
图11.测量到天花板的距离
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，且均采用廉价易得的元件，有一定实用价值。
但本设计仍有改进的余地，例如：
可用变压器或MAX232等电平变换芯片进一步提高超声波发射换能器的输入电压，使得测量距离更远，性能更稳定，对环境的适应性更高。
6.参考资料
[1]曾煌.电工学（第六版）.高等教育,2004.
[2]瑞宁电子.TCT40-16TR1压电瓷超声传感器规格书.
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