超声波测距系统设计2

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1、超声波测距系统设计1.课程设计目的通过《传感器及检测技术》课程设计，使我们掌握传感器及检测系统设计的方法和设计原则及相应的硬件调试的方法。进一步理解传感器及检测系统的设计和应用。2.内容及要求2.1设计内容设计一个超声波测距系统，通过超声测距仪的原理是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，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中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)

2、*C式中L——要测的距离T——发射波和反射波之间的时间间隔C——超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。2.2设计要求本次设计采用40KHz的超声波发射和接收传感器测量距离。可采用发射和接收之间的距离，也可将发射和接收平行放在一起，通过反射测量距离。实现功能要求：(1)LED数码管显示测量距离，精确到小数点后一位（单位：cm）。(2)测量范围：30cm～200cm，(3)误差＜0.5cm。(4)确保系统的可靠性。3．系统工作原理设计的整体框图如图1所示，主要由超声波发射，超声波接收与信号转换，按键显示电路与温度传感器电路组

3、成。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T，然后求出距离L=CT／2，式中的C为超声波波速。在常温下，空气中的声速约为340m／s。由于超声波也是一种声波，其传播速度C与温度有关，在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。因为本系统测距精度要求很高，误差<0.5cm，所以通过对温度的检测对超声波的传播速度加以校正。超声波传播速度确定后，只要测得超声波往返的时间，如图2所示，即可求得距离。这就是超声波测距系统的基本原理。4.系统框图4.1超声波测距系统框图，如下（图1）图1超声波测距系统框图4.2超声波发送与接受

4、时差波形图，如下（图2）图2超声波发送与接受时差波形图5.单元电路设计原理5.1发射部分电路发射部分电路如图3所示，主要由脉冲调制信号产生电路，隔离电路以及驱动电路组成，用来为超声波传感器提供发送信号。脉冲调制信号产生电路中通过单片机对555定的复位(RESET)端的控制，使555定时器分时工作从而生产生脉冲频率为40KHz，周期为30ms的脉冲调制信号，信号波形如图2所示，本设计中一个周期内发送10个脉冲信号。隔离电路主要是由两个与非门组成，对输出级与脉冲产生电路之间进行隔离。输出级由两个通用型集成运放TL084CN组成，由于超声波传感器的发射距离与其两端所加的电压成正比，

5、因此要求电路要产生足够大的驱动电压，其基本原理就是一个比较电路，当输入信号Vi>2．5V时，运放A的输出电压VA=+12V，运放B的输出电压VB=-12V，当输入信号Vi<2．5V时，运放A的输出电压VA="-12V"，运放B的输出电压VB=+12V，所以在超声传感器两端得到两个极性完全相反的对称波形，即VB=-VA，所以加在超声波传感器两端的电压V=VA-VB=2VA，其两端的电压可达到24V，从而保证超声波能够发送较远的距离，提高了测量量程。图3超声波传感器的发射电路5.2接收部分的电路接收部分的电路由放大电路，带通滤波电路以及信号变换电路组成。放大电路和带通滤波电路如图

6、4所示。由于超声波信号在空气中传播时受到很大程度的衰减，所以反射回的超声波信号非常的微弱，不能直接送到后级电路进行处理，必须将信号放大到足够的幅度，才能使后级电路对它进行正确的处理。前置放大电路是由集成运放组成的自举式同相交流放大电路，具有很高的输入阻抗，C5，C6，C7为隔直电容，R5，R6，R7为偏置电阻，用来设置放大器的静态工作点。带通滤波器采用二阶RC有源滤波器，用于消除超声波传播过程中受到的干扰信号的影响。该电路为二阶压控电压源带通滤波电路，图4中RW，C10组成低通滤波网络，C9和R12组成高通滤波网络，两者串联组成了带通滤波电路。集成运放和电阻R9，Rl0一起组

7、成同相比例放大器，为了使电路能够稳定工作，必须保证同相比例放大器的增益AV<3，带通滤波器的中心频率ω0=40kHz，电路参数可通过AV=1+R9／R10和ω0=1／R12C2(1／RW+1／R13)确定。经过带通滤波后的信号经专用仪表放大器AD620进行放大，然后送到信号变换电路，信号变换电路主要将接收到的包络信号变换成单片机的中断触发信号。由包络检波电路，电压比较器和RS触发器组成。包络检波电路由二极管D3，电阻R19，和电容C13组成。经过包络检波得到的信号如图6中的V2所示。电压比较器由集成运放