超聲波測距系統(tǒng)(論文)正文、結(jié)論、參考文獻等(1)

1、1 緒論1.1 超聲波技術的廣泛應用超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關。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，吹動圓形刀口振動形成共振腔，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，至今仍廣泛地用于超聲處理技術中。20世紀初，電子學的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應和磁致伸縮效應制成各種機電換能器。1917年，法國物理學家Paul Langevin用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應用于水下探測潛艇。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大

2、超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。材料科學的發(fā)展，使得應用廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機電耦合系數(shù)高、價格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導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、電子通信和成像技術等方面。利用超聲波作為定位技術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，也就是由生物體發(fā)射不被人們 聽到的超聲波(20kHz以上的機械波

3、)，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間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(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，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，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、電子計數(shù)、光電開關相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。它在很多距離探測應用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機器人檢測和定位、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：（1）超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；（2）對外界光線和電磁場不敏感

4、，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、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，被廣泛應用在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面。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量的任務。還有在很多要求實時測距的情況下，傳統(tǒng)的測距方法

5、也很難完成測量的任務。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，是利用計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，對被測目標無損害。而且超聲波傳播速度在相當大范圍內(nèi)與頻率無關。超聲波的這些獨特優(yōu)點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械內(nèi)部損傷的檢測等。在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領域也有廣泛地應用。此外，在材料科學，醫(yī)學，生物科學等領域中也占具重要地位。隨著計算機技術、自動化技術和工業(yè)機器人的不斷發(fā)展和

6、廣泛應用，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4：（1）超聲波對色彩和光照度不敏感，可用于識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、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、費用低、技術難度小、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別手段，已越來越引起人們的重視。而我國，關于超聲的大規(guī)模研究始于1956年。迄今，在超聲的各個領域都開展了研究和應用，其中有少數(shù)項目已接近或達到了國際

7、水平。2 超聲波測距技術綜述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，它與機械振動密切相關，可以由物體的撞擊、運動所產(chǎn)生的機械振動 以波的形式向外傳播。根據(jù)振動所產(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，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

8、強的波束，波長愈短方向性愈強，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上是有困難的)，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器；（4）功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強大的能量。聲波作用于物體時，物體的分子也要隨著運動，其振動頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運動速度越快，物體獲得的能量正比于分子運動速度的平方。超聲頻率高，故可以給出大的功率。聲波在真空中不能進行傳播，必須通過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。

9、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)點的振動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)點振動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)點的振動介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑ァＵ穹S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)大多依靠縱波來實現(xiàn)。而實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)

10、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。整個過程，超聲波會有很大的衰減。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。 A(x)= (2.1)設在距離超聲接收器x處有被測物，

11、則空氣中傳播的超聲波波動方程描述為： (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，,，當振動的聲波頻率f=40kHz時，可得，它的物理意義在于：超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，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。同時超聲波頻率的過高會產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。權衡這兩

12、點，為達到良好的測距效果，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，須減少發(fā)射波串的長度，增高發(fā)射波頻率。但發(fā)射波串長度過短會使得發(fā)射換能器不能被激振或激振達不到最大值；發(fā)射波頻率過高則衰減大，作用距離下降。有試驗表明：使用40kHz的超聲波，發(fā)射脈沖群含有8個16個脈沖，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現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱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

13、回波，并轉(zhuǎn)換成相應電信號。目前常見的超聲波發(fā)射和接收器件的標稱頻率一般為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，據(jù)壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向是于外加電壓的大小和方向成

14、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，晶片就會產(chǎn)生同頻率的機械振動。這種機械振動推動空氣等媒質(zhì)，便會發(fā)出超聲波。反之，如在壓電陶瓷晶片上有超聲波作用，將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機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14,15。當在A，B間施加交流電壓時，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。壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率發(fā)射超聲波時，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，作用在它上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波傳感器才有較高的靈敏度，當所用壓電材

15、料不變時，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；中量程探測距離約為2ml0m，工作頻率在40kHz60kHz

16、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)所選用的超聲波傳感器為收發(fā)分體式傳感器，如用于發(fā)射的TCT40

17、T及用于接收的TCT40R。，其中心頻率為40kHz。TCT40-16R/T（直徑16mm）的相關參數(shù)如下：（1）標稱頻率(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)：2000±30%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。當聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發(fā)生反射；反射波稱為

18、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目標然后返回聲源的時間可以測量得到，那么就可以計算出從聲波到目標的距離。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)=時間(t)×速度(v)。在設計時，實時得出時間和速度，再進行相乘運算，得出距離。利用超聲波測時間方法有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。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個40kHz脈沖串，脈沖

19、電信號經(jīng)過超聲波內(nèi)部振子，振蕩出機械波，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是毫伏級別的正弦波信號。傳播的渡越時間即為超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波時刻與經(jīng)介質(zhì)反射傳播到接收器時刻差。如圖2.4所示，測量發(fā)射點到被測物面到接收點距離2s，超聲波的傳播速度約為v=344m/s(20時)依據(jù)公式：得距離s。距離測量有一個最遠測量距離限制，其原因就在于接收信號的幅值至少應該大于規(guī)定的閥值。這個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，最小的接收信號幅值總得比噪聲幅值大，否則就很難從噪

20、聲中分辨出所需的信號來。所以，如果想增大可測的距離，總得從兩個方面來解決，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間間隔，從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法：（1）相位檢測法，將發(fā)射器發(fā)送的超聲波信號作為參考信號，在每次發(fā)送超聲波的終止時刻，立即開始對接收器的輸出進行采樣，并計算采樣值與參考信號之間的互相關函數(shù)。若互相關函數(shù)出現(xiàn)峰值，則說明采樣值是換能器前方目標反射回來的信號，而相關函數(shù)峰值出現(xiàn)的時刻

21、就是射程時間。由此可見，相關估計法（也稱為匹配濾波）既利用了回波信號的幅值又利用了回波信號的形狀。假如超聲波信號經(jīng)目標反射后所產(chǎn)生的回波信號的波形基本不發(fā)生畸變，而且疊加在回波信號上的噪聲是高斯白噪聲，那么采用互相關函數(shù)法的時延估計精度將高于與其它時延估計法19。這種算法雖然精度高，但算法較復雜，運行起來速度慢，測距實時性不好；（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，檢測回波信號的幅值，對延遲時間作出一個判斷，但是聲波幅值檢測法易受反射波的影響，測距精度不高；（3）渡越時間檢測法，渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現(xiàn)。其原理為：

22、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間，這個時間就是渡越時間。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)字式雷達原理，測距開始發(fā)出一串脈沖串，開始計時，檢測到回波信號后，關閉計時器，根據(jù)計數(shù)脈沖的重復周期T，得到渡越時間t=nT，所以，測量實際上變成讀出距離計數(shù)器的數(shù)碼值n。對目標距離R的測定轉(zhuǎn)換為測量脈沖數(shù)n，從而把時間這個連續(xù)量變成了離散的脈沖數(shù)。所以，計數(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)及頻率的關系進行了分析。說明了超聲波換

23、能器的工作原理，為達到最佳的工作效率，深入研究各種驅(qū)動條件的影響。并對比分析了幾種測距方法，論證了本系統(tǒng)的實用性，分析指出需要把超聲波往返時間的測量轉(zhuǎn)化為對計數(shù)脈沖個數(shù)的測量，才能提高測量精度。在下面的第三章中，我們將進行具體的硬件設計。3 系統(tǒng)硬件設計按照系統(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)射電路設計發(fā)射電路的實現(xiàn)目的為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號。依據(jù)電路需要，發(fā)射電路應滿足下列要求：（

24、1）振蕩電路振蕩頻率可調(diào)；（2）驅(qū)動能力較高；（3）輸出控制信號。3.1.1 振蕩電路振蕩電路的實現(xiàn)目的是為超聲波傳感器提供40kHz脈沖。當加載在超聲波傳感器的兩端的信號頻率與其固有頻率為同一頻率時，發(fā)生共振，電信號的電能能高效率的轉(zhuǎn)化為機械聲波的機械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標識的固有頻率是40kHz，實際有偏差，如40kHz±0.5kHz。故設計可調(diào)頻率振蕩電路，以便將信號頻率調(diào)到超聲波傳感器的固有頻率上。震蕩電路有多種設計方案，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。這種振蕩器特點是：T=(l.42.3)RC電源波動將使頻率不穩(wěn)定，適合

25、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，并且及易控制

26、。本文中采用的電路振蕩圖，如圖3.6所示。當R1遠大于10R2時，振蕩頻率由下式f=1/(2.2 R2 C1)決定。應此，適當?shù)恼{(diào)節(jié)R2、C1的值，就可以使電路的振蕩頻率為40kHz。本實驗取C1為560pF，有公式計算可得R2應取為20k左右的阻值方可使頻率接近40kHz。振蕩信號經(jīng)整形緩沖后由驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射器向外發(fā)射超聲信號。超聲波傳感器的固有頻率應與電路振蕩頻率相同時，超聲波傳感器達到諧振狀態(tài)，換能器效率才能達到最高。圖3.6 振蕩電路3.1.2 驅(qū)動電路驅(qū)動電路的實現(xiàn)目的是為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號。驅(qū)動電路22要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲電脈

27、沖去激勵發(fā)射器，由發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為超聲機械波機械能。驅(qū)動電路有多種方案：（1）用芯片驅(qū)動。（2）分立元件組成的驅(qū)動電路，其價格便宜，元件普通，調(diào)試方便。（3）用變壓器提升電壓，增加驅(qū)動能力，如圖3.7所示。（4）門并接利用芯片的驅(qū)動能力。本系統(tǒng)設計所用的為第（4）種方案利用非門并接的驅(qū)動電路。如圖3.8所示。vcc圖3.7 變壓器升壓驅(qū)動圖3.8 門電路驅(qū)動聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影響，距離越大，衰減越大。為能接收遠距離得回波，采取有效措施有：（1）增加驅(qū)動功率。（2）減少聲波頻率(頻率越低，衰減越慢)。（3）設計合理的電路與負載功率匹配電路使其方便便簡單，為進一步增加驅(qū)動能力，并列的非門

28、換成3個。要求6個非門來自一個芯片上的非門，以保證信號上升沿下降沿的同步，在非門輸出的兩端直接接一個電容防止直流直接加載超聲波發(fā)射器上而導致?lián)p壞。本文總采用COMS芯片CD4049組成超聲波驅(qū)動電路圖，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)動下，各種性能最佳，通過振蕩電路送給驅(qū)動電路。用了一個大功率的CMOS管CD4049來驅(qū)動超聲波傳感器的發(fā)射器.它的工作原理是這樣的：幾個非門并接，即可提供較大的驅(qū)動能力。而且到發(fā)射器兩端的是反向的，使得超聲波的發(fā)射器得到足夠的能量。整體發(fā)

29、射電路如圖3.10所示，通用定時器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間t1=0.693R1C,低電平時間t2=0.693×2R2C。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)時間短，所以，可以大大的地降低了功耗。調(diào)控信號經(jīng)緩沖驅(qū)動后，超聲波發(fā)射器把電信號轉(zhuǎn)化為超聲波發(fā)射信號發(fā)射出去。vcc圖3.10 超聲波發(fā)射電路3.2 超聲波接收電路設計根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿

30、足以下要求：（1）微弱信號放大，放大倍數(shù)要求從mV放大到V。（2）波形整形。（3）實時選通不同方向的微弱信號。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轉(zhuǎn)換成電壓信號(正弦波)，信號經(jīng)過放大以后，被送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入R-S觸發(fā)器并計算出有關數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的換向識別、轉(zhuǎn)換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生信號等功能。（c）二值化后的信號（b）放大后的信號（a）接收到的信號圖3.11 接收電路信號變化關系圖3.2.1 放大電路設計放大電路目的是將微弱信號放大。微弱信號需要放大整形，因此接收部分電路主要由放大電路、電壓比較電路

31、構(gòu)成。根據(jù)所用的超聲波傳感器的資料以及在實驗中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。超聲波接收電路23將接收換能器輸出的微弱信號，進行濾波、放大、檢波、整形，來得到大幅值電信號。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放大芯片，如下圖3.12所示。圖3.12 運放構(gòu)成接收電路圖圖3.12由集成運放Al、A2構(gòu)成，R，C，為無源濾波網(wǎng)絡，二極管、R9為檢波網(wǎng)絡。在回波信號的放大過程中，由于干擾信號的存在

32、，為避免將干擾信號放大而產(chǎn)生回波誤識別，必須將干擾信號濾除，即回波信號放大過程中必須設計帶通濾波器，對有效頻帶內(nèi)的超聲波信號進行選擇放大。濾波器的功能是讓一定范圍內(nèi)的頻率信號通過，將此頻率以外信號加以抑制或使其急劇衰減。當干擾信號與有用信號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具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點，因此，本系統(tǒng)采用RC無源濾波方式，用于微弱回波信號的放大。由于集成運放技術已十分成熟，應用己經(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

33、CX20106A接收到40kHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以作為控制計數(shù)信號輸入，使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、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，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，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，將使負反饋量增大，放大倍

34、數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，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，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3F。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端vcc接入一個電阻，用以設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，fn42kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳：該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控

35、命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為220k，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。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，經(jīng)CX20106A放大、整形后，輸出負脈沖電壓。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設置為40kHz，就可接收和放大超聲波電信號，并整形輸出負脈沖電壓。該器件的引腳1是超聲波電信號輸入端，引腳2與地之間連接

36、RC串聯(lián)網(wǎng)絡，這是內(nèi)部前置放大電路負反饋網(wǎng)絡的組成部分，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，適當改變C9就可改變超聲波電信號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，用以設置內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率f0。當R9=220k時，f0=40kHz。引腳6與地之間接一只積分電容C10標準值為330pF。如果該電容值取得太大，輸出脈沖低電平持續(xù)時間就會增加，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CX20106A無信號輸入時，引腳7輸出高電平。輸入的超聲波電信號經(jīng)放大、整形后，引腳7輸出負脈沖電壓。采用CX20

37、106A實現(xiàn)超聲波接收放大和整形，可避免采用多級集成運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點為高電平(tW1ms)，三極管VQ1導通，超聲波電信號輸入端短路，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。因為超聲波在空氣中傳播能量會不斷衰減，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：超聲波傳感器性能，驅(qū)動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

38、設計控制電路主要由RS觸發(fā)器構(gòu)成，發(fā)射超聲波期間，C點為高電平，E點輸入高電平。F10輸出低電平、F12輸出低電平，此時計數(shù)器對脈沖發(fā)生器的輸入脈沖計數(shù)。當超聲波發(fā)射完畢，C點為低電平，若超聲波接收電路為收到信號，E點仍為高電平，F(xiàn)點輸出保持不變。一旦接收到信號E點輸出低電平，F(xiàn)點輸出為高點平，計數(shù)器停止計數(shù)，鎖存并顯示數(shù)值。控制電路如圖3.16所示。接收輸入E輸出F圖3.16 控制電路3.4 計數(shù)與顯示電路設計3.4.1 40110芯片說明CD40110B是十進制可逆計數(shù)/鎖存/譯碼/驅(qū)動器，具有加減計數(shù)、計數(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)動七段共陰

39、極LED數(shù)碼管。其中，引腳CPU為加法計數(shù)時鐘脈沖輸入端：Qco是加法計數(shù)進位輸出端；引腳TE為使能端，TE=0時，計數(shù)器工作，TE=1時，計數(shù)器禁止計數(shù)；LE為鎖存控制端；LE=1時，顯示數(shù)據(jù)保持不變，但內(nèi)部計數(shù)器仍正常工作。40110有2個計數(shù)時鐘輸入端CPU和CPD分別用作加計數(shù)時鐘輸入和減計數(shù)時鐘輸入。由于電路內(nèi)部有一個時鐘信號預處理邏輯，因此當一個時鐘輸入端計數(shù)工作時，另一個時鐘輸入端可以是任意狀態(tài)。40110的進位輸出CO和借位輸出BO一般為高電平，當計數(shù)器從09時，BO輸出負脈沖；從90時CO輸出負脈沖。在多片級聯(lián)時，只需要將CO和BO分別接至下級40110的CPU和CPD端，就

40、可組成多位計數(shù)器。40110的引出端符號如下，其引腳圖如圖3.17所示。BO：借位輸出端；CO：進位輸出端；CPD：減計數(shù)器時鐘輸入端；CPU：加計數(shù)器時鐘輸入端；CR：清除端；：計數(shù)允許端；：鎖存器預置端；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。信號預處理 CPU CPD約翰遜計數(shù)器控制邏輯COBO CR 驅(qū)動器譯碼器鎖存器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

41、入計數(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隨計數(shù)器顯示隨計數(shù)器顯示 保 持隨計數(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 -VDD±0.5V；（3）輸入電流 ±10mA；（4）儲存穩(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)V

42、O(V)VI(V)VDD (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?。?.40.51.55/010/015/05.010.015.0

43、0.641.64.20.611.54.00.511.31.40.422.11.80.360.92.4mAII 輸入電流15/015.0 ±0.1±1.0AIDD 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的動態(tài)性能表如3.3所示。表3.3 40110 動態(tài)性能參數(shù)測試調(diào)

44、件VDD (V)規(guī)范值單位最小最大tPLH tPHL傳輸延遲時間CR到CPCL=50PfRL=200K5.010.015.0750285200 nsCR至第一個允許時鐘脈沖延遲5.010.015.0 30012575 nsfmax最高時鐘頻率5.010.015.02.55.08.0MHz3.4.2 計數(shù)顯示電路計數(shù)顯示電路如圖3.17所示。復位F圖3.17 計數(shù)顯示電路3個CD40110B組成3位十進制加法計數(shù)器。3位LED數(shù)碼管顯示測量距離。U7對應的LED數(shù)碼管單位為m，U6對應的LED數(shù)碼管單位為dm，U5對應的LED數(shù)碼管單位為cm。74HC00的U4a和U4d組成計數(shù)電路脈沖發(fā)生器。

45、其振蕩頻率f21/2.2C12×(R35+W)。當環(huán)境溫度是25。測量距離s為1m時，超聲波往返時間t=2s/v5.8ms。這時計數(shù)器顯示應為1.00，即1m。因此計數(shù)器在t5.8ms應計數(shù)到n=100，這時要求計數(shù)電路脈沖發(fā)生器脈沖周期t2=t/n，即要求計數(shù)電路脈沖發(fā)生器頻率應為f2=1/t2=n/t17.2kHz。要使計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率是17.2kHz，當C12為2200pF時，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)計數(shù)電

46、路脈沖發(fā)生器的頻率，使測距儀顯示為1.00。整體控制計數(shù)電路如圖3.18所示。圖3.18 控制計數(shù)顯示整體電路U1f、U4b、U4c組成RS觸發(fā)器。發(fā)射超聲波時，C點為高電平，超聲波接收放大電路的三極管VQI導通，超聲波接收放大電路無信號輸入，E點輸出高電平，RS觸發(fā)器的U4cF點輸出為低電平，此時CD40110B處于十進制加法計數(shù)狀態(tài)，對脈沖發(fā)生器的輸入脈沖計數(shù)。當超聲波發(fā)射完畢，C點為低電平。若超聲波接收放大電路未接收到返回的超聲波，E點仍為高電平，則RS觸發(fā)器的U4cF點輸出仍保持低電平，CD40110B繼續(xù)計數(shù)。一旦超聲波接收放大電路接收到返回的超聲波，E點變?yōu)榈碗娖?，RS觸發(fā)器的U4

47、cF點輸出變?yōu)楦唠娖?，CD40110B停止計數(shù)，并鎖存顯示計數(shù)數(shù)值；E點恢復高電平，RS觸發(fā)器的U4cF點輸出仍保持高電平，CD40110B仍停止計數(shù)、鎖存顯示計數(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，超聲波接收放大電路一直未接收到返回的超聲波，E點始終為高電平，計數(shù)器計數(shù)到999后，再加1計數(shù)時，U7產(chǎn)生進位輸出，該進位輸出使三位計數(shù)器復位，顯示“0.00”，表示測距無效。同時，三極管VQ2瞬時飽和導通，E點電位瞬時變?yōu)榈碗娖?，F(xiàn)點電位變?yōu)楦唠娖健11和R12構(gòu)成上電復位電路，接通電源或按復位鍵S1瞬間，三位計數(shù)器復位，顯示“0.00”。同時，三極管VQ2瞬時飽和導通

48、，E點電位瞬時變?yōu)榈碗娖健點電位為高電平。圖3.19為超聲波工作波形。 UA S2鍵按下 t UBt UC 1mst UD 40個矩形脈沖 t UEt UF 開始計數(shù) 停止計數(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計及與電路原理圖的交互仿真，ARES主要用于印制電路板的設計。Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的電路分析實物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和IC，并支持單片機，元件庫齊全，使用方

49、便，是不可多得的專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng)。它運行于Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：（1）實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(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、信號發(fā)生器等。（2）支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：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

50、。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設置斷點等調(diào)試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態(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）具有強大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。特點：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，交互外設模型有LCD顯示、RS232終端、通用鍵盤、開關、按鈕、LED等；強大的調(diào)試功能，如訪問寄存器與內(nèi)存，設置斷點和單步運行模式；支持如IAR、Keil和Hitech等

51、開發(fā)工具的源碼C和匯編的調(diào)試；一鍵“make”特性：一個鍵完成編譯與仿真操作；內(nèi)置超過6000標準SPICE模型，完全兼容制造商提供的SPICE模型；DLL界面為應用提供特定的模式；基于工業(yè)標準的SPICE3F5混合模型電路仿真器14種虛擬儀器：示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、規(guī)程分析儀等；高級仿真包含強大的基于圖形的分析功能：模擬、數(shù)字和混合瞬時圖形；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)字信號發(fā)生器包括尖脈沖、脈沖、時鐘和碼流；集成PROTEUS PCB設計形成完整的電子設計系統(tǒng)。4.2 仿真調(diào)試結(jié)果本系

52、統(tǒng)采用了40110、CX20106、4049、4069芯片及其其他電子器件，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的計數(shù)脈沖，致使接收電路有時無法接收到信號，造成了很大的誤差。下圖為測量40cm時所測的讀數(shù)。圖4.3 實物測試圖結(jié)束語設計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(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)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實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；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。此次設計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括計數(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用的4位共陰LED數(shù)碼管，并用計數(shù)/譯碼/驅(qū)動/鎖存與一身的40110驅(qū)動。超聲波發(fā)射電路主要由