[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 34 頁 共 34 頁1 緒論1.1 超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。1883年galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機(jī)械型超聲換能器。由于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進(jìn)，至今仍廣泛地用于超聲處理技術(shù)中。20世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。1917年，法國物理學(xué)家paul langevin用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應(yīng)用于水下探測潛艇。

2、隨著軍事和國民經(jīng)濟(jì)各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機(jī)電耦合系數(shù)高、價(jià)格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜(pvdf)1等。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由

3、生物體發(fā)射不被人們 聽到的超聲波(20khz以上的機(jī)械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機(jī)器人檢測和定位、以及流體液面高度測量2等。超聲波方法在某些方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)：（1）超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差

4、的物體(如玻璃、拋光體)；（2）對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。因此超聲檢測法己越來越引起人們的重視，被廣泛應(yīng)用在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面。特別是在空氣測距中，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高3。1.2 超聲波測距的研究背景與意義隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的測距方法在很多場合已無法滿足人們的需求，例如在井深，液位，管道長度等場合，傳統(tǒng)的測距方法根本無法完成測

5、量的任務(wù)。還有在很多要求實(shí)時(shí)測距的情況下，傳統(tǒng)的測距方法也很難完成測量的任務(wù)。于是，一種新的測距方法誕生了非接觸測距。超聲波可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點(diǎn)，是利用計(jì)算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。超聲波的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視。目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測等。在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要

6、地位。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，測距問題顯得越來越重要。目前常用的測距方式主要有雷達(dá)測距、紅外測距、激光測距和超聲測距4種。與其他測距方法相比較，超聲測距具有下面的優(yōu)點(diǎn)4：（1）超聲波對色彩和光照度不敏感，可用于識(shí)別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)。（2）超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、技術(shù)難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和集成化。因此，超聲波作為一種測距識(shí)別手段，已越來越引起人們的重視。而我國，關(guān)于超聲的大規(guī)模研究始于1956年。迄今，在超聲的各個(gè)

7、領(lǐng)域都開展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項(xiàng)目已接近或達(dá)到了國際水平。2 超聲波測距技術(shù)綜述2.1 超聲波2.1.1 超聲波的基本性質(zhì)聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機(jī)械振動(dòng)密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng) 以波的形式向外傳播。根據(jù)振動(dòng)所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于20khz的聲波稱為超聲波5。波長這樣短的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)6,7：（1）超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進(jìn)行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同；（2）超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當(dāng)，

8、由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強(qiáng)的波束，波長愈短方向性愈強(qiáng)，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體；（3）能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率。要求探測信號(hào)的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長的幾倍(如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的)，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號(hào)發(fā)生器；（4）功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強(qiáng)大的能量。聲波作用于物體時(shí)，物體的分子也要隨著運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運(yùn)動(dòng)速度越快，物體獲得的能量正比于分子運(yùn)動(dòng)速度的平方。超聲頻率高，故可以給出大的功率。聲波在真空中不能進(jìn)行傳播，必

9、須通過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為344m/s。根據(jù)聲源在介質(zhì)中施力方向與聲波傳播方向的不同，聲波的波形也不同，通常有以下幾種8：（1）縱波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中傳播；（2）橫波。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播；（3）表面波。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑?。振幅隨深度增加而迅速衰減的波。從上述分類可看出，只有縱波可以在氣體中傳播。因此，目前在空氣中的超聲波測量系統(tǒng)大多依靠縱波來實(shí)現(xiàn)。而實(shí)際測量用的超聲波主要集中在頻率為khzkhz的范圍內(nèi)。其中，靠近低頻段主要用于

10、空氣和液體介質(zhì)中的測量系統(tǒng)，中頻和高頻段主要用于固體介質(zhì)的測量9,10。這主要是由于介質(zhì)對聲波能量的吸收隨聲波頻率的升高而增加，頻率越高，聲波在介質(zhì)中衰減就越快。而在固體介質(zhì)中，測量的量程比較短(例如超聲波探傷，測工件厚度等)，在液體和氣體中，測量的量程比較長(例如空氣中的超聲波測距，海洋中測深度等)，因此，氣體和液體中測量所選擇的聲波頻率就要比固體介質(zhì)中低。2.1.2 超聲波的衰減超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過程，超聲波會(huì)有很大的衰減。由于聲波的衰減，使得a(x)隨傳播距離的變化而變化。聲學(xué)理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律11。

11、 a(x)= (2.1)設(shè)在距離超聲接收器x處有被測物，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程描述為： (2.2)其中a(x)為超聲傳感器接收的振幅；為超聲傳感器初始振幅；為衰減系數(shù)；x為超聲波傳播距離；為傳播角頻率；k=2/為波數(shù)；為聲波波長；t為傳播時(shí)間。衰減系數(shù)。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。在空氣中，,，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40khz時(shí)，可得，它的物理意義在于：超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗，在長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的1/e。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快，傳播的距離也越短。同時(shí)超聲波頻率的過高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干涉。但是，超

12、聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測量。權(quán)衡這兩點(diǎn)，為達(dá)到良好的測距效果，也是選取中心頻率為40khz的原因。采用合適的頻率和波長，使用超聲波傳感器測距，頻率取得太低，外界雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播過程中衰減較大。并且，超聲波傳感器在測量過程中容易產(chǎn)生盲區(qū)，接收端易接收到泄漏波。改善這一缺點(diǎn)，須減少發(fā)射波串的長度，增高發(fā)射波頻率。但發(fā)射波串長度過短會(huì)使得發(fā)射換能器不能被激振或激振達(dá)不到最大值；發(fā)射波頻率過高則衰減大，作用距離下降。有試驗(yàn)表明：使用40khz的超聲波，發(fā)射脈沖群含有8個(gè)16個(gè)脈沖，具有較好的傳播性能12。2.2 超聲波傳感器超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱

13、超聲換能器或超聲波探頭。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。目前常見的超聲波發(fā)射和接收器件的標(biāo)稱頻率一般為40khz，頻率取得太低，外界雜音干擾較多，太高在傳播過程中衰減較大。按作用原理不同，超聲波傳感器可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中壓電陶瓷晶片制成的換能器最為常用13。在原理上利用壓電陶瓷材料在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的功能。其示意圖如圖2.1所示。圖2.1 雙壓電晶片示意圖 這種傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。需用的壓電材料較少，價(jià)格低廉且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷片加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械

14、變形，這種機(jī)械變形的大小和方向是于外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為f的電壓脈沖，晶片就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)。這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒質(zhì)，便會(huì)發(fā)出超聲波。反之，如在壓電陶瓷晶片上有超聲波作用，將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲波相同的電信號(hào)14,15。當(dāng)在a，b間施加交流電壓時(shí)，若上片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固有的諧振頻率，即中心頻率發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓頻率要與它的固有諧振頻率一致，接收超聲波時(shí)，作用在它上面的超聲機(jī)械波的頻率也要與它的固有諧振頻

15、率一致。這樣，超聲波傳感器才有較高的靈敏度，當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可以非常方便地改變其固有諧振頻率。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示。圖2.2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖超聲波傳感器由壓電陶瓷晶片、錐形諧振板、底座、端子、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形諧振板是發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使傳感器有一定的指向角。金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形諧振板的損害，金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射和接收超聲波16。超聲測距傳感器按其作用距離可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測距離小于2 m，工作頻率在60khz300khz之間；中量

16、程探測距離約為2ml0m，工作頻率在40khz60khz之間；大量程探測距離約為20m50m，工作頻率處在16khz30khz之間。超聲波傳感器是超聲波測距電路中的重要元件，其性能優(yōu)劣直接影響到測距準(zhǔn)確度和可靠性。超聲波傳感器按收發(fā)方式可分兩類：一類是發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能，如用于發(fā)射的ma40a5s及用于接收的ma40a5r17。另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如tr40，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測距有效范圍比較小，防塵、防水性能好。由于考濾到成本等因素，本系統(tǒng)所選用

17、的超聲波傳感器為收發(fā)分體式傳感器，如用于發(fā)射的tct40t及用于接收的tct40r。，其中心頻率為40khz。tct40-16r/t（直徑16mm）的相關(guān)參數(shù)如下：（1）標(biāo)稱頻率(khz)：40khz（2）發(fā)射聲壓at10v(0db=0.02mpa)：117db（3）接收靈敏度at40khz(0db=v/ubar)：-65db（4）靜電容量at1khz，1v(pf)：200030%tc壓電陶瓷超聲波傳感器；t通用性；t發(fā)射/r接收。tct40-16r/t系列指向性如圖2.3所示。圖2.3 超聲波傳感器指向特性2.3 超聲波脈沖測距原理聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目

18、標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測量得到，那么就可以計(jì)算出從聲波到目標(biāo)的距離。這就是本系統(tǒng)的測量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波。距離公式：距離(s)=時(shí)間(t)速度(v)。在設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)時(shí)得出時(shí)間和速度，再進(jìn)行相乘運(yùn)算，得出距離。利用超聲波測時(shí)間方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍非常有限，聲波幅值檢測法易受反射波影響。本超聲波測距儀采用渡越時(shí)間檢測法18。超聲波測量原理圖如圖2.4所示。圖2.4 超聲波測距原理圖在超聲波發(fā)射器兩端輸入10

19、個(gè)40khz脈沖串，脈沖電信號(hào)經(jīng)過超聲波內(nèi)部振子，振蕩出機(jī)械波，通過空氣，介質(zhì)傳播到被測面，由被測面反射，由超聲波接收器接收，在超聲波接收器兩端信號(hào)是毫伏級(jí)別的正弦波信號(hào)。傳播的渡越時(shí)間即為超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波時(shí)刻與經(jīng)介質(zhì)反射傳播到接收器時(shí)刻差。如圖2.4所示，測量發(fā)射點(diǎn)到被測物面到接收點(diǎn)距離2s，超聲波的傳播速度約為v=344m/s(20時(shí))依據(jù)公式：得距離s。距離測量有一個(gè)最遠(yuǎn)測量距離限制，其原因就在于接收信號(hào)的幅值至少應(yīng)該大于規(guī)定的閥值。這個(gè)閥值決定于對信噪比的要求。要求高些，可要求這一閥值大于噪聲幅值的倍數(shù)高些，保證信噪比可以大于要求。但是無論要求怎樣低，最小的接收信號(hào)幅值總得比噪

20、聲幅值大，否則就很難從噪聲中分辨出所需的信號(hào)來。所以，如果想增大可測的距離，總得從兩個(gè)方面來解決，一方面就是盡量降低噪聲，另一方面就是盡可能增大發(fā)射信號(hào)的幅值。超聲波是一種具有一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性，而在不同的媒質(zhì)界面處，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。利用這一特性，就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時(shí)間間隔，從而達(dá)到測量距離的作用。其主要有三種測距方法：（1）相位檢測法，將發(fā)射器發(fā)送的超聲波信號(hào)作為參考信號(hào)，在每次發(fā)送超聲波的終止時(shí)刻，立即開始對接收器的輸出進(jìn)行采樣，并計(jì)算采樣值與參考信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)。若互相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值，則說明采樣值是換能器前方目標(biāo)反射回來的信號(hào)，

21、而相關(guān)函數(shù)峰值出現(xiàn)的時(shí)刻就是射程時(shí)間。由此可見，相關(guān)估計(jì)法（也稱為匹配濾波）既利用了回波信號(hào)的幅值又利用了回波信號(hào)的形狀。假如超聲波信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后所產(chǎn)生的回波信號(hào)的波形基本不發(fā)生畸變，而且疊加在回波信號(hào)上的噪聲是高斯白噪聲，那么采用互相關(guān)函數(shù)法的時(shí)延估計(jì)精度將高于與其它時(shí)延估計(jì)法19。這種算法雖然精度高，但算法較復(fù)雜，運(yùn)行起來速度慢，測距實(shí)時(shí)性不好；（2）聲波幅值檢測法，這種方法是根據(jù)超聲波在空氣中傳播不斷衰減的特性，檢測回波信號(hào)的幅值，對延遲時(shí)間作出一個(gè)判斷，但是聲波幅值檢測法易受反射波的影響，測距精度不高；（3）渡越時(shí)間檢測法，渡越時(shí)間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都

22、非常容易實(shí)現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。本課題的超聲波測距就是使用了這種方法。具體來講，本系統(tǒng)測距原理類似于數(shù)字式雷達(dá)原理，測距開始發(fā)出一串脈沖串，開始計(jì)時(shí)，檢測到回波信號(hào)后，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，根據(jù)計(jì)數(shù)脈沖的重復(fù)周期t，得到渡越時(shí)間t=nt，所以，測量實(shí)際上變成讀出距離計(jì)數(shù)器的數(shù)碼值n。對目標(biāo)距離r的測定轉(zhuǎn)換為測量脈沖數(shù)n，從而把時(shí)間這個(gè)連續(xù)量變成了離散的脈沖數(shù)。所以，計(jì)數(shù)脈沖頻率越高，測距精度越高20。2.4 本章小結(jié)本章介紹了超聲波的特性，闡明了其物理性質(zhì)對測距理論的適用性，對超聲波在傳播過程中的衰減與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系進(jìn)

23、行了分析。說明了超聲波換能器的工作原理，為達(dá)到最佳的工作效率，深入研究各種驅(qū)動(dòng)條件的影響。并對比分析了幾種測距方法，論證了本系統(tǒng)的實(shí)用性，分析指出需要把超聲波往返時(shí)間的測量轉(zhuǎn)化為對計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)的測量，才能提高測量精度。在下面的第三章中，我們將進(jìn)行具體的硬件設(shè)計(jì)。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)所需功能，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)可以劃分為四個(gè)主要模塊：超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，控制處理電路和顯示電路。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示：超聲波發(fā)射電路 控制電路 計(jì)數(shù)顯示電路超聲波接收電路圖3.1 超聲波測距系統(tǒng)框圖3.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)發(fā)射電路的實(shí)現(xiàn)目的為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號(hào)。依據(jù)電路需要，發(fā)

24、射電路應(yīng)滿足下列要求：（1）振蕩電路振蕩頻率可調(diào)；（2）驅(qū)動(dòng)能力較高；（3）輸出控制信號(hào)。3.1.1 振蕩電路振蕩電路的實(shí)現(xiàn)目的是為超聲波傳感器提供40khz脈沖。當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號(hào)頻率與其固有頻率為同一頻率時(shí)，發(fā)生共振，電信號(hào)的電能能高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械聲波的機(jī)械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識(shí)的固有頻率是40khz，實(shí)際有偏差，如40khz0.5khz。故設(shè)計(jì)可調(diào)頻率振蕩電路，以便將信號(hào)頻率調(diào)到超聲波傳感器的固有頻率上。蕩電路有多種設(shè)計(jì)方案，方案選擇如下：方案一：利用非門或與非門和電阻一起構(gòu)成振蕩電路最簡單的振蕩器。這種振蕩器特點(diǎn)是：t=(l.42.3)rc電源波動(dòng)將使頻率不

25、穩(wěn)定，適合小于l00khz的低頻振蕩情況。此振蕩是上電振蕩，不方便控制。典型如圖3.2所示。圖3.2 簡單振蕩電路方案二：采用兩三極管和電阻電容構(gòu)成的振蕩器如圖3.3所示。圖3.3 采用兩三極管和電阻電容構(gòu)成的振蕩電路方案三：采用lc三點(diǎn)振蕩電路如圖3.4所示。圖3.4 采用lc構(gòu)成的振蕩電路方案四：555芯片組成振蕩電路。555芯片振蕩電路21，外圍元件少，電路簡單，振蕩頻率可調(diào)，可產(chǎn)生方波和三角波，可調(diào)整波形占空比，在很多電路中都用到。如圖3.5所示。gndd控制信號(hào)圖3.5 555振蕩電路為了方便快捷，本文中選方案一原理。采用一與非門與電阻電容構(gòu)成振蕩電路。此電路外圍元件少，電路簡單，并

26、且及易控制。本文中采用的電路振蕩圖，如圖3.6所示。當(dāng)r1遠(yuǎn)大于10r2時(shí)，振蕩頻率由下式f=1/(2.2 r2 c1)決定。應(yīng)此，適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)r2、c1的值，就可以使電路的振蕩頻率為40khz。本實(shí)驗(yàn)取c1為560pf，有公式計(jì)算可得r2應(yīng)取為20k左右的阻值方可使頻率接近40khz。振蕩信號(hào)經(jīng)整形緩沖后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器向外發(fā)射超聲信號(hào)。超聲波傳感器的固有頻率應(yīng)與電路振蕩頻率相同時(shí)，超聲波傳感器達(dá)到諧振狀態(tài)，換能器效率才能達(dá)到最高。圖3.6 振蕩電路3.1.2 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路22要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率

27、的超聲電脈沖去激勵(lì)發(fā)射器，由發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為超聲機(jī)械波機(jī)械能。驅(qū)動(dòng)電路有多種方案：（1）用芯片驅(qū)動(dòng)。（2）分立元件組成的驅(qū)動(dòng)電路，其價(jià)格便宜，元件普通，調(diào)試方便。（3）用變壓器提升電壓，增加驅(qū)動(dòng)能力，如圖3.7所示。（4）門并接利用芯片的驅(qū)動(dòng)能力。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用的為第（4）種方案利用非門并接的驅(qū)動(dòng)電路。如圖3.8所示。vcc圖3.7 變壓器升壓驅(qū)動(dòng)圖3.8 門電路驅(qū)動(dòng)聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影響，距離越大，衰減越大。為能接收遠(yuǎn)距離得回波，采取有效措施有：（1）增加驅(qū)動(dòng)功率。（2）減少聲波頻率(頻率越低，衰減越慢)。（3）設(shè)計(jì)合理的電路與負(fù)載功率匹配電路使其方便便簡單，為進(jìn)一步增加驅(qū)動(dòng)能力，

28、并列的非門換成3個(gè)。要求6個(gè)非門來自一個(gè)芯片上的非門，以保證信號(hào)上升沿下降沿的同步，在非門輸出的兩端直接接一個(gè)電容防止直流直接加載超聲波發(fā)射器上而導(dǎo)致?lián)p壞。本文總采用coms芯片cd4049組成超聲波驅(qū)動(dòng)電路圖，如圖3.9所示。圖3.9 coms與cd4069芯片組成超聲波驅(qū)動(dòng)電路由第二章的討論可以知道，測距系統(tǒng)所用的超聲波儀在頻率40khz，幅值9v(可調(diào))的電壓驅(qū)動(dòng)下，各種性能最佳，通過振蕩電路送給驅(qū)動(dòng)電路。用了一個(gè)大功率的cmos管cd4049來驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的發(fā)射器.它的工作原理是這樣的：幾個(gè)非門并接，即可提供較大的驅(qū)動(dòng)能力。而且到發(fā)射器兩端的是反向的，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能

29、量。整體發(fā)射電路如圖3.10所示，通用定時(shí)器555夠成的多諧振蕩器，振蕩頻率由下式f=1/0.693(r1+2r2)c1決定，輸出波形的高電平時(shí)間t1=0.693r1c,低電平時(shí)間t2=0.6932r2c。調(diào)節(jié)r1,r2的值，還可以調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比。振蕩頻率有3腳輸出經(jīng)整形，緩沖后作為與非門的開關(guān)脈沖；振蕩頻率為40khz，經(jīng)調(diào)控后輸出周期為25ms、脈沖寬度為1ms的脈沖串，由于高電平持續(xù)時(shí)間短，所以，可以大大的地降低了功耗。調(diào)控信號(hào)經(jīng)緩沖驅(qū)動(dòng)后，超聲波發(fā)射器把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲波發(fā)射信號(hào)發(fā)射出去。vcc圖3.10 超聲波發(fā)射電路3.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足

30、以下要求：（1）微弱信號(hào)放大，放大倍數(shù)要求從mv放大到v。（2）波形整形。（3）實(shí)時(shí)選通不同方向的微弱信號(hào)。如圖3.11所示，不同方向的超聲波接收器將接收到回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)(正弦波)，信號(hào)經(jīng)過放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的方波信號(hào)直接輸入r-s觸發(fā)器并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號(hào)的換向識(shí)別、轉(zhuǎn)換、信號(hào)的放大和整形以及產(chǎn)生信號(hào)等功能。（c）二值化后的信號(hào)（b）放大后的信號(hào)（a）接收到的信號(hào)圖3.11 接收電路信號(hào)變化關(guān)系圖3.2.1 放大電路設(shè)計(jì)放大電路目的是將微弱信號(hào)放大。微弱信號(hào)需要放大整形，因此接收部分電路主要由放大電路、電壓比較電路構(gòu)

31、成。根據(jù)所用的超聲波傳感器的資料以及在實(shí)驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時(shí)，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部分信號(hào)直接加到回波信號(hào)中，干擾回波信號(hào)的檢測。超聲波接收電路23將接收換能器輸出的微弱信號(hào)，進(jìn)行濾波、放大、檢波、整形，來得到大幅值電信號(hào)。接收電路可采用新產(chǎn)品專用集成電路，也可用傳統(tǒng)的濾波、放大、檢波、整形的電路。過去均采用分立元件構(gòu)成，現(xiàn)在可以用集成電路來代替。采用超聲波微弱信號(hào)放大芯片，如下圖3.12所示。圖3.12 運(yùn)放構(gòu)成接收電路圖圖3.12由集成運(yùn)放al、a2構(gòu)成，r，c，為無源濾波網(wǎng)絡(luò)，二極管、r9為檢波網(wǎng)絡(luò)。在回波信號(hào)的放大過程中，由于干擾信號(hào)的存在，

32、為避免將干擾信號(hào)放大而產(chǎn)生回波誤識(shí)別，必須將干擾信號(hào)濾除，即回波信號(hào)放大過程中必須設(shè)計(jì)帶通濾波器，對有效頻帶內(nèi)的超聲波信號(hào)進(jìn)行選擇放大。濾波器的功能是讓一定范圍內(nèi)的頻率信號(hào)通過，將此頻率以外信號(hào)加以抑制或使其急劇衰減。當(dāng)干擾信號(hào)與有用信號(hào)不在同一頻率范圍之內(nèi)，可使用濾波器有效的抑制干擾。由于超聲波回波信號(hào)具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用rc無源濾波方式，用于微弱回波信號(hào)的放大。由于集成運(yùn)放技術(shù)已十分成熟，應(yīng)用己經(jīng)十分普及。所以本系統(tǒng)選用有sony公司生產(chǎn)的cx20106a紅外遙控接收芯片。3.2.2 cx20106a芯片cx20106a24作為超聲波接收處理的典型電路。當(dāng)c

33、x20106a接收到40khz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以作為控制計(jì)數(shù)信號(hào)輸入，使用cx20106a集成電路對接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。圖3.13為cx20106內(nèi)部功能圖。圖3.14為其引腳圖。db放大dabaablcccc整形積分檢波帶通濾波限幅圖3.13 cx20106內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)圖圖3.14 cx20106引腳圖l腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與gnd之間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r或減小c，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)

34、下降，反之則放大倍數(shù)增大。但c的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為r=4.7，c=1f。3腳：該腳與gnd之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端vcc接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取r=200k時(shí)，fn42khz，若取r=220k，則中心頻率f038khz。6腳：該腳與gnd之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pf，如果該電容取得太大，會(huì)使探測距離變短。7腳：遙控命

35、令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為220k，沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。8腳：電源正極，4.5v5v。圖3.15 cx20106超聲波接收電路如圖3.15所示，超聲波接收傳感器將收到的返回超聲波轉(zhuǎn)成微弱電信號(hào)，經(jīng)cx20106a放大、整形后，輸出負(fù)脈沖電壓。cx20106a是紅外線遙控接收器，其內(nèi)部由前置放大、帶通濾波、檢波和波形整形等電路組成。通過外接電阻，將其內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0設(shè)置為40khz，就可接收和放大超聲波電信號(hào)，并整形輸出負(fù)脈沖電壓。該器件的引腳1是超聲波電信號(hào)輸入端，引腳2與地之間連接r

36、c串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這是內(nèi)部前置放大電路負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的組成部分，改變電阻r8的數(shù)值則改變前置放大電路的增益。引腳3與地之間連接檢波電容c9，適當(dāng)改變c9就可改變超聲波電信號(hào)放大和整形電路的靈敏度和抗干擾能力。引腳5與電源間接一只電阻，用以設(shè)置內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0。當(dāng)r9=220k時(shí)，f0=40khz。引腳6與地之間接一只積分電容c10標(biāo)準(zhǔn)值為330pf。如果該電容值取得太大，輸出脈沖低電平持續(xù)時(shí)間就會(huì)增加，測量距離變短。引腳7是電路集電極開路輸出端，r10是該引腳的上托電阻。當(dāng)cx20106a無信號(hào)輸入時(shí)，引腳7輸出高電平。輸入的超聲波電信號(hào)經(jīng)放大、整形后，引腳7輸出負(fù)脈沖電壓。采用cx201

37、06a實(shí)現(xiàn)超聲波接收放大和整形，可避免采用多級(jí)集成運(yùn)放組成高增益放大電路易產(chǎn)生自激等問題。在發(fā)射超聲波期間，發(fā)射電路c點(diǎn)為高電平(tw1ms)，三極管vq1導(dǎo)通，超聲波電信號(hào)輸入端短路，從而避免接收到超聲波而發(fā)送傳感器發(fā)出的直射波。所以該測距儀理論上最小測量距離(肓區(qū))約為smin=ctw/20.17m。其中，c是超聲波在空氣中的傳播速度。因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵袀鞑ツ芰繒?huì)不斷衰減，所以超聲波測距存在最大有效測量距離。該最大有效測量距離與多種因素有關(guān)：超聲波傳感器性能，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器脈沖電壓幅值(功率)，被測物形狀，被測物吸波特性，反射波與入射波夾角，超聲波接收放大電路靈敏度等。3.3 控制電路設(shè)

38、計(jì)控制電路主要由rs觸發(fā)器構(gòu)成，發(fā)射超聲波期間，c點(diǎn)為高電平，e點(diǎn)輸入高電平。f10輸出低電平、f12輸出低電平，此時(shí)計(jì)數(shù)器對脈沖發(fā)生器的輸入脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)超聲波發(fā)射完畢，c點(diǎn)為低電平，若超聲波接收電路為收到信號(hào)，e點(diǎn)仍為高電平，f點(diǎn)輸出保持不變。一旦接收到信號(hào)e點(diǎn)輸出低電平，f點(diǎn)輸出為高點(diǎn)平，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，鎖存并顯示數(shù)值?？刂齐娐啡鐖D3.16所示。接收輸入e輸出f圖3.16 控制電路3.4 計(jì)數(shù)與顯示電路設(shè)計(jì)3.4.1 40110芯片說明cd40110b是十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)/鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器，具有加減計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)器狀態(tài)鎖存，七段顯示譯碼輸出等功能。每段輸出電流最大為25ma，可直接驅(qū)動(dòng)七段共陰極

39、led數(shù)碼管。其中，引腳cpu為加法計(jì)數(shù)時(shí)鐘脈沖輸入端：qco是加法計(jì)數(shù)進(jìn)位輸出端；引腳te為使能端，te=0時(shí)，計(jì)數(shù)器工作，te=1時(shí)，計(jì)數(shù)器禁止計(jì)數(shù)；le為鎖存控制端；le=1時(shí)，顯示數(shù)據(jù)保持不變，但內(nèi)部計(jì)數(shù)器仍正常工作。40110有2個(gè)計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端cpu和cpd分別用作加計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入和減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)預(yù)處理邏輯，因此當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘輸入端計(jì)數(shù)工作時(shí)，另一個(gè)時(shí)鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。40110的進(jìn)位輸出co和借位輸出bo一般為高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器從09時(shí)，bo輸出負(fù)脈沖；從90時(shí)co輸出負(fù)脈沖。在多片級(jí)聯(lián)時(shí)，只需要將co和bo分別接至下級(jí)40110的cpu和cpd端，就可

40、組成多位計(jì)數(shù)器。40110的引出端符號(hào)如下，其引腳圖如圖3.17所示。bo：借位輸出端；co：進(jìn)位輸出端；cpd：減計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端；cpu：加計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入端；cr：清除端；：計(jì)數(shù)允許端；：鎖存器預(yù)置端；vdd：正電源；vss：地；yayg：鎖存譯碼輸出端。 ya vdd ygyb yfyc yd crye bo cpdco vsscpu圖3.17 40110引腳圖40110的邏輯功能圖如圖3.18所示。信號(hào)預(yù)處理 cpu cpd約翰遜計(jì)數(shù)器控制邏輯cobo cr 驅(qū)動(dòng)器譯碼器鎖存器yayg 圖3.18 40110邏輯功能示意圖40110的功能表如3.1所示。表3.1 40110功能表輸 入

41、計(jì)數(shù)器功能顯示cpucpdcr x x x xx xxxllxxxhh l lxxhlllllhlll 加 1 減 1 保持 清除 禁止 加 1 減 1隨計(jì)數(shù)器顯示隨計(jì)數(shù)器顯示 保 持隨計(jì)數(shù)器顯示 不 變 不 變不 變其工作條件：（1）電源電壓范圍3v18v；（2）輸入電壓范圍0vvdd。工作溫度范圍：（1）m類-55125；（2）e類 -4085。極限值：（1）電源電壓 -0.5v18v；（2）輸入電壓 -vdd0.5v；（3）輸入電流 10ma；（4）儲(chǔ)存穩(wěn)定 -65150。靜態(tài)性能表如表3.2所示。表3.2 40110 靜態(tài)性能參數(shù)測試條件規(guī)范值ioh(ma)vo(v)vi(v)vdd

42、(v)-55-4025 85125 單位vol 輸出低電平電壓（最大）5/010/015/0 5.010.015.0 0.05vvoh 輸出高電平電壓（最?。?/010/015/05.010.015.0 4.95 9.95 14.95vvil 輸出低電平電壓（最大）0.5/4.51.0/9.01.5/13.55.010.015.0 1.5 3.0 4.0vvih 輸出高電平電壓（最小）4.5/0.59.0/1.013.5/1.55.010.015.0 3.5 7.0 11.0viol 輸出低電平電流（最?。?.40.51.55/010/015/05.010.015.00.641.64.20.6

43、11.54.00.511.31.40.422.11.80.360.92.4maii 輸入電流15/015.0 0.11.0aidd 電源電流（最大）5/010/015/05.010.015.05.010.020.05.010.020.0150.0300.0600.0avoh 輸出驅(qū)動(dòng)電壓（典型）01025 5.05.05.04.554.133.64v0102510.010.010.09.559.258.850102515.015.015.014.5514.2113.9040110的動(dòng)態(tài)性能表如3.3所示。表3.3 40110 動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測試調(diào)件vdd (v)規(guī)范值單位最小最大tplh tph

44、l傳輸延遲時(shí)間cr到cpcl=50pfrl=200k5.010.015.0750285200 nscr至第一個(gè)允許時(shí)鐘脈沖延遲5.010.015.0 30012575 nsfmax最高時(shí)鐘頻率5.010.015.02.55.08.0mhz3.4.2 計(jì)數(shù)顯示電路計(jì)數(shù)顯示電路如圖3.17所示。復(fù)位f圖3.17 計(jì)數(shù)顯示電路3個(gè)cd40110b組成3位十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。3位led數(shù)碼管顯示測量距離。u7對應(yīng)的led數(shù)碼管單位為m，u6對應(yīng)的led數(shù)碼管單位為dm，u5對應(yīng)的led數(shù)碼管單位為cm。74hc00的u4a和u4d組成計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器。其振蕩頻率f21/2.2c12(r35+w)。當(dāng)環(huán)

45、境溫度是25。測量距離s為1m時(shí)，超聲波往返時(shí)間t=2s/v5.8ms。這時(shí)計(jì)數(shù)器顯示應(yīng)為1.00，即1m。因此計(jì)數(shù)器在t5.8ms應(yīng)計(jì)數(shù)到n=100，這時(shí)要求計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器脈沖周期t2=t/n，即要求計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器頻率應(yīng)為f2=1/t2=n/t17.2khz。要使計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率是17.2khz，當(dāng)c12為2200pf時(shí)，r35+w=1/(2.2c12f2)12k。由于不同環(huán)境溫度下，超聲波在空氣中的傳播速度也不同，所需的計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率也就不一樣。為提高在不同環(huán)境溫度下測量的精度，用精密電位器w調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率，使測距儀顯示為1.00。整體控制計(jì)數(shù)電路如

46、圖3.18所示。圖3.18 控制計(jì)數(shù)顯示整體電路u1f、u4b、u4c組成rs觸發(fā)器。發(fā)射超聲波時(shí)，c點(diǎn)為高電平，超聲波接收放大電路的三極管vqi導(dǎo)通，超聲波接收放大電路無信號(hào)輸入，e點(diǎn)輸出高電平，rs觸發(fā)器的u4cf點(diǎn)輸出為低電平，此時(shí)cd40110b處于十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)狀態(tài)，對脈沖發(fā)生器的輸入脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)超聲波發(fā)射完畢，c點(diǎn)為低電平。若超聲波接收放大電路未接收到返回的超聲波，e點(diǎn)仍為高電平，則rs觸發(fā)器的u4cf點(diǎn)輸出仍保持低電平，cd40110b繼續(xù)計(jì)數(shù)。一旦超聲波接收放大電路接收到返回的超聲波，e點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?，rs觸發(fā)器的u4cf點(diǎn)輸出變?yōu)楦唠娖?，cd40110b停止計(jì)數(shù)，并鎖存顯示計(jì)數(shù)

47、數(shù)值；e點(diǎn)恢復(fù)高電平，rs觸發(fā)器的u4cf點(diǎn)輸出仍保持高電平，cd40110b仍停止計(jì)數(shù)、鎖存顯示計(jì)數(shù)數(shù)值的狀態(tài)。若被測物超出最大有效測量距離，或者沒有被測物時(shí)，超聲波接收放大電路一直未接收到返回的超聲波，e點(diǎn)始終為高電平，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到999后，再加1計(jì)數(shù)時(shí)，u7產(chǎn)生進(jìn)位輸出，該進(jìn)位輸出使三位計(jì)數(shù)器復(fù)位，顯示“0.00”，表示測距無效。同時(shí)，三極管vq2瞬時(shí)飽和導(dǎo)通，e點(diǎn)電位瞬時(shí)變?yōu)榈碗娖剑琭點(diǎn)電位變?yōu)楦唠娖?。c11和r12構(gòu)成上電復(fù)位電路，接通電源或按復(fù)位鍵s1瞬間，三位計(jì)數(shù)器復(fù)位，顯示“0.00”。同時(shí)，三極管vq2瞬時(shí)飽和導(dǎo)通，e點(diǎn)電位瞬時(shí)變?yōu)榈碗娖?。f點(diǎn)電位為高電平。圖3.19為超聲波

48、工作波形。 ua s2鍵按下 t ubt uc 1mst ud 40個(gè)矩形脈沖 t uet uf 開始計(jì)數(shù) 停止計(jì)數(shù)t圖3.19 超聲波工作波形圖4 仿真及調(diào)試4.1 proteus簡介proteus isis是英國labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件，proteus主要由isis和ares兩部分組成，isis的主要功能是原理圖設(shè)計(jì)及與電路原理圖的交互仿真，ares主要用于印制電路板的設(shè)計(jì)。proteus的isis是一款labcenter出品的電路分析實(shí)物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和ic，并支持單片機(jī)，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)。它運(yùn)行于window

49、s操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(spice)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：（1）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和spice電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、rs232動(dòng)態(tài)仿真、i2c調(diào)試器、spi調(diào)試器、鍵盤和lcd系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。（2）支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、avr系列、pic12系列、pic16系列、pic18系列、z80系列、hc11系列以及各種外圍芯片。（3）提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以

50、觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如keil c51 uvision2等軟件。（4）具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C(jī)和spice分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。特點(diǎn)：支持arm7，pic，avr，hc11以及8051系列的微處理器cpu模型，更多模型正在開發(fā)中，交互外設(shè)模型有l(wèi)cd顯示、rs232終端、通用鍵盤、開關(guān)、按鈕、led等；強(qiáng)大的調(diào)試功能，如訪問寄存器與內(nèi)存，設(shè)置斷點(diǎn)和單步運(yùn)行模式；支持如iar、keil和hitech等開發(fā)工具的源碼c和匯編的調(diào)試；一鍵“make”特性：一個(gè)鍵完成

51、編譯與仿真操作；內(nèi)置超過6000標(biāo)準(zhǔn)spice模型，完全兼容制造商提供的spice模型；dll界面為應(yīng)用提供特定的模式；基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的spice3f5混合模型電路仿真器14種虛擬儀器：示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、規(guī)程分析儀等；高級(jí)仿真包含強(qiáng)大的基于圖形的分析功能：模擬、數(shù)字和混合瞬時(shí)圖形；頻率；轉(zhuǎn)換；噪聲；失真；付立葉；交流、直流和音頻曲線；模擬信號(hào)發(fā)生器包括直流、正旋、脈沖、分段線性、音頻、指數(shù)、單頻fm；數(shù)字信號(hào)發(fā)生器包括尖脈沖、脈沖、時(shí)鐘和碼流；集成proteus pcb設(shè)計(jì)形成完整的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。4.2 仿真調(diào)試結(jié)果本系統(tǒng)采用了40110、cx20106、4049、4069芯片及其

52、其他電子器件，由于部分芯片在庫里找不到，所以只能部分仿真。圖4.1為超聲波發(fā)射電路仿真電路圖，4.2為超聲波發(fā)射電路的仿真波形。圖4.1 仿真電路圖4.2 發(fā)射電路仿真波形如圖所示，第一，二行為加在超聲波探頭上的波形，第三行為振蕩器產(chǎn)生的40khz的超聲波波形。圖4.3為實(shí)物的調(diào)試測試圖。由于電阻和電容的誤差很難使電路產(chǎn)生40khz的超聲波和17.2khz的計(jì)數(shù)脈沖，致使接收電路有時(shí)無法接收到信號(hào)，造成了很大的誤差。下圖為測量40cm時(shí)所測的讀數(shù)。圖4.3 實(shí)物測試圖結(jié)束語設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括計(jì)數(shù)顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陰led數(shù)碼管，并用計(jì)數(shù)/譯碼/驅(qū)動(dòng)