1、超聲波測距系統(tǒng)設計摘要：本設計是基于模擬電路和數(shù)字電路的邏輯計算，從而實現(xiàn)對前方物體距離的測量。超聲波指向性強，傳播過程中衰減小，在介質(zhì)中傳播距離較遠。所以，在利用傳感技術和自動技術組合的測距方案中，超聲波測距是目前應用比較廣泛的一種，它大量地應用于防盜、倒車雷達、水位測量和工業(yè)現(xiàn)場。利用超聲波傳感器對前方物體進行感應后，通過相關電路對超聲波傳感器發(fā)射和接收到的信號進行邏輯分析和計算，最后將計算的結果顯示在顯示器上。超聲波測距系統(tǒng)是根據(jù)超聲波在介質(zhì)中傳播的反射原理，以超聲波傳感器為基礎，應用數(shù)字芯片對超聲波在介質(zhì)中傳播的時間進行計算，以此計算出超聲波在介質(zhì)中傳播的距離，從而設計了一套超聲波測距

2、系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要設計了超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，濾波模塊，計時模塊，距離測量模塊，顯示模塊等六個模塊。論文中的設計是通過超聲波傳感器由發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，接收模塊接收到回波，通過計算后得到系統(tǒng)與前方物體之間的距離。關鍵詞：超聲波； 數(shù)字電路； 測距ultrasonic ranging systemabstract：the design is calculated based on digital logic circuit to realize the measurement of the distance in front of the object. ultrasonic point

3、 to strong attenuation during transmission, the transmission distance in the medium is far. therefore, in the use of sensor technology and automated technology portfolio ranging program, ultrasonic ranging is a broader application, it applied a lot of security, parking sensor, water level measuremen

4、t and industrial scene.using ultrasonic sensors on the front of the sensing objects, through the relevant circuit transmitting and receiving ultrasonic sensor signals to logical analysis and calculation, the final results of the calculation shown on the display.ultrasonic ranging system is based on

5、ultrasonic wave propagation in the medium reflection principle, the ultrasonic sensor, based on application of digital chips on ultrasonic propagation in the medium to calculate the time in order to calculate the ultrasonic wave propagation in the medium range, which is designed an ultrasonic rangin

6、g system.the system design of the ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module, filter module, timing module, the distance measuring module, display module.paper was designed by the transmitter module through the ultrasonic sensor ultrasonic transmitter, receiver module receives the ech

7、o, obtained by calculating the system and the distance between the front of the object.key words：ultrasonic，digital circuit，ranging目 錄第一章 緒 論11.1 概述11.2 超聲波的特點21.3 超聲波測距原理21.4 超聲波傳感器31.5 超聲波測距領域歷史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀41.6 論文研究內(nèi)容6第二章 系統(tǒng)設計準備72.1 超聲波的衰減72.2 超聲波的傳播速度82.3 超聲波傳感器的選擇92.4 發(fā)射脈沖波形102.5 測距系統(tǒng)的誤差分析和修正112.6 超

8、聲波在空氣中傳播速度的補償原理112.7 渡越時間測量誤差的修正分析122.8 顯示器件選擇12第三章 超聲波測距系統(tǒng)設計143.1 超聲波發(fā)射模塊143.2 超聲波接收電路203.3 信號比較電路223.4 時間測量電路243.5 計數(shù)脈沖信號反生電路243.6 計數(shù)顯示電路25第四章 仿真及調(diào)試314.1 時間測量電路314.2 計數(shù)脈沖信號反生電路31結 論35致 謝36參考文獻37附 錄39第一章 緒 論1.1 概述目前，超聲波測距系統(tǒng)已廣泛應用在民用及國防工業(yè)中。例如，用超聲波測距系統(tǒng)可以探測海洋潛艇的方位、魚群以及確定海底暗礁等障礙物的形狀及方位；利用超聲波的傳播時間確定物體的長度

9、以及超聲波在固體里遇到障礙物產(chǎn)生的反射波來確定物體內(nèi)部損傷的位置以及狀態(tài)，稱之為無損探傷；利用超聲波測距系統(tǒng)輔助機器人確定自身位置，從而準確避開障礙物，按照預定好的行進方向來完成任務。另外還有應用于液面探測、礦井探測、汽車報警、物位的測量等相關領域。超聲波測距系統(tǒng)主要是利用超聲波在介質(zhì)中傳播時表現(xiàn)出來良好的性質(zhì)進行距離測量的，與軍事、大型工業(yè)領域廣泛采用的微波雷達測距、激光測距等技術相比，這種檢測技術難度相對較小，成本低廉，不易受環(huán)境的限制，應用起來比較方便、迅速、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能夠達到工業(yè)使用的要求，因此超聲波測距技術得以廣泛的推廣和應用1-5。超聲波測距系統(tǒng)

10、雖然被大量應用于各種工業(yè)領域，但在低信噪比下測距精度較低，多個超聲波測距系統(tǒng)共同工作的條件下會產(chǎn)生相互影響，另外測距的盲區(qū)比較大，這些固有的特點限制了其進一步廣泛應用。在目前使用的超聲波測距技術中，應用最多的是pellam和galt于1946年提出的脈沖回波檢測法，其原理是通過傳感器發(fā)射超聲波，并接收從被測目標反射的回波信號，確定超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，然后再根據(jù)超聲波傳播速度，計算出超聲波傳感器于被測物體之間的距離。超聲波測距系統(tǒng)的設計結構種類繁雜，性能差異也很大。目前市場上主流的超聲波測距系統(tǒng)大多數(shù)是用單片機作為主控芯片，產(chǎn)生驅(qū)動信號，并且接收回波，控制通訊。但由于聲波的傳播速度會受到

11、溫度及介質(zhì)的不同而產(chǎn)生變化，對于高精度要求的測量，基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)就需要對單片機內(nèi)部的程序參數(shù)進行重新設定，并下載到單片機內(nèi)。這在復雜環(huán)境條件下是很大的難題，因此基于模擬電路和數(shù)字電路的超聲波測距系統(tǒng)對比單片機系統(tǒng)有著相當大的優(yōu)勢，它可以通過在邏輯計算電路中增加可調(diào)電阻的方式對參數(shù)進行調(diào)整。1.2 超聲波的特點當物體產(chǎn)生震動后會通過介質(zhì)產(chǎn)生聲波。聲波每秒振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，單位是赫茲。人耳能聽到的聲波頻率為2020000赫茲。當聲波的頻率小于20赫茲或20000赫茲時，人便聽不見聲音了。因此，人們把頻率高于20000赫茲的聲波稱作“超聲波”6。超聲波和可以聽到的聲波本質(zhì)上都是機

12、械震動，都是以縱波的方式在介質(zhì)中傳播，但超聲波的頻率更高，波長更短。超聲波在介質(zhì)中產(chǎn)生機械振蕩，傳播速度不及光波，但其縱向分辨率較高。超聲波對周圍環(huán)境中的色彩，光強，光線和電磁波不敏感，對于處于復雜環(huán)境的被測物如黑暗，電磁干擾，有毒等惡劣環(huán)境下超聲波基本不受環(huán)境的影響可以正常工作。超聲波在介質(zhì)中能量消耗較小，可以傳播更遠的距離，聲波的傳播速度不受頻率的影響，所以軍事，工業(yè)，科技等很多方面都選擇超聲波測距系統(tǒng)并大量的運用7-8。1.3 超聲波測距原理超聲波測距的方法有很多，例如相位檢測，聲波幅值和渡越時間等檢測方法。這幾種檢測方法各有優(yōu)缺點，相位檢測法相對其他方法精度高，但是檢測范圍較小，不能應

13、用與長距離檢測，聲波幅值檢測法對反射波要求較高。所以通常條件下渡越時間檢測方法是最為常用的超聲波測距方法，在超聲波檢測技術中，最主要的是利用了超聲波反射、折射、衰減等物理特征來實現(xiàn)檢驗。渡越時間檢測法基本的工作原理是：超聲波換能器由脈沖信號產(chǎn)生超聲波，通過介質(zhì)傳播到被測物體，形成反射波；超聲波傳感器檢測到反射波，并由傳感器把聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過邏輯計算出超聲波在介質(zhì)中傳播的距離，利用公式： （1.1）就可以確定超聲波檢測設備到前方物體之間的距離。超聲波傳感器又分為自發(fā)自收傳感器和只有單獨的發(fā)射或接收功能的傳感器。本文采用的是一發(fā)一收的雙傳感器的設計，傳播介質(zhì)為空氣9-10，超聲波測距原

14、理如圖1-1。圖1-1 超聲波測距原理圖渡越時間測量法：（1） 直接計數(shù)法發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串時開始計時，在超聲波接收器接收到反射信號時刻時停止計時，計時這段時間就是渡越時間。（2） 相位法發(fā)射裝置發(fā)射出一定頻率的正弦波，發(fā)出的聲波到達障礙物后產(chǎn)生反射波，接收端收到反射波，經(jīng)過放大電路放大，再與發(fā)射裝置的驅(qū)動電壓進行比較，測出兩個正弦電壓的相位差，跟據(jù)相位差就可測出距離。本設計采用了直接計數(shù)法，這種方法有點在于原理簡單適用，電路成本較低。而測距精度方面也不遜于其他兩種測量方法。1.4 超聲波傳感器超聲波換能器又稱超聲波傳感器有很多種類，在產(chǎn)生超聲波的方式這方面來講，超聲波換能器大致

15、分為兩類：一類是用電器方法產(chǎn)生超聲波。電氣方法是指通過壓電、磁場和電動等方式產(chǎn)生超聲波。另一類是采用機械振動的方式來產(chǎn)生超聲波。這兩種方法產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特征各不相同，因此適用于不同的用途。目前較為常見的是壓電式超聲波換能器。壓電式超聲波換能器主要結構是壓電片，既可以發(fā)射超聲波又可以接收超聲波。其內(nèi)部結構如圖1-2。1-2 壓電超聲波換能器內(nèi)部結構原理圖壓電式超聲波換能器有許多結構，例如壓電片內(nèi)部質(zhì)點的震動方向垂直與晶片平面，那么晶片就是向外發(fā)射超聲波。超聲波在介質(zhì)中傳播可以有不同的形式，取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對介質(zhì)激發(fā)超聲波。通常有以下四種：縱波型：當介質(zhì)中質(zhì)點振

16、動方向與超聲波的傳播方向一致時，超聲波就是縱波型。任何固體介質(zhì)當其體積發(fā)生交替變化時均能產(chǎn)生縱波。橫波型：當介質(zhì)中質(zhì)點的振動方向與超聲波垂直時，超聲波就是橫波型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形。當其中剪切力交替作用于固體介質(zhì)時均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。表面波型：是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行與表面的縱波和垂直于橫波的橫波合成，振動質(zhì)點的軌跡為一橢圓，在距離表面1/4波長深處振幅最強。板波型：板波亦稱拉姆波，板波只產(chǎn)生在大約一個波長的薄板內(nèi)，在板的兩表面和中部都有質(zhì)點的振動，聲場遍及整個板的厚度。薄板兩表面的質(zhì)點振動是縱波

17、和橫波成分之和，運動軌跡為橢圓形，長軸于短軸的比例取決于材料的性質(zhì)。板波可以分為對稱型和非對稱型兩種。1.5 超聲波測距領域歷史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1876年f.galton的氣哨實驗，一般被人們認為是超聲波研究的起源，這是人類首次有效的產(chǎn)生的高頻聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知的東西，由于當時電子技術發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。在第一次世界大戰(zhàn)中，對超聲波的研究逐漸受到重視。法國人langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并進行水下通信。 1929年，sokolov首先提出用超聲波探查金屬物內(nèi)

18、部缺陷的建議。相隔2年，1931年mulhauser獲準一項關于超聲檢測方法的德國專利，不過他并未做更多的工作。4年之后，1934年sokolov首次發(fā)表了關于在液體槽子里用穿透法作實物試驗的結果，他用了各種方法做了實驗，用來檢測穿過試件的超聲能量，其中之一是用簡單的光學方法觀 察液體表面由超聲波形成的波紋。德國人beergmann在他的論著ultrasonic中，詳細的論述了有關超聲波的大量早期資料，該論著一直被認為是該領域的經(jīng)典之作。 美國的firestone和英國的sproule首次介紹了脈沖回波探傷儀，使超聲波檢測技術發(fā)展到了更重要的階段。在各種系統(tǒng)中，這是最成功的一種，因為它有最廣泛

19、的通用性，其檢測結果也最容易解釋。這種方法除可用于手工檢測外，還可與采用先進技術的自動系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問世以來，根據(jù)相同的原理，有無數(shù)種其他儀器得到了發(fā)展，并有許多改進和精化。目前，在超聲無損檢測中，脈沖回波系統(tǒng)仍是使用最為廣泛的一種。 huahong，wang yongtian闡述了其所研究的一種調(diào)幅連續(xù)超聲波大范圍動態(tài)測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)的測距原理是利用超聲波傳感器發(fā)射和接收調(diào)幅連續(xù)超聲波，基于接收信號于發(fā)射信號之間的相位差和兩傳感器之間的正比關系，用相位差法測量傳感器之間的動態(tài)距離。文中給出了設計原理、硬件實施和測量結果。實驗結果表明，該系統(tǒng)在15m 的測距精度可達到1mm。

20、中國測試技術研究所的李茂山在超聲波測距原理及實踐技術中闡述了用超聲波在空氣里傳播速度為已知條件，測量超聲波行進于待測距離所耗費時間的超聲波測距原理。文中分析了聲波的傳輸特性和影響聲速的因素，給出了超聲波測距的框圖。作者還進行了超聲波測距誤差源分析以及超聲波測距儀的檢驗。 浙江師范大學的李鳴華、余水寶利用單片機開發(fā)了一種超聲波料位測量系統(tǒng)。作者介紹了超聲波料位測量的原理以及超聲波料位測量儀的軟硬件設計，硬件設計主要分為超聲波信號的產(chǎn)生發(fā)射電路、信號接收處理電路、at89c2051單片機控制電路等。作者還分析了造成料位測量誤差的幾點原因，并給出了幾種方法來減少測量誤差。比如：在計數(shù)電路設計中，采用

21、了“延遲接收，信號分離”的技術和相關計數(shù)法減小了計數(shù)誤差，對于聲速的測量誤差，使用溫度補償法，在軟件設計中采用了查表的方法，由單片機實現(xiàn)自動補償校正。文中的一些方法對于設計超聲波測量系統(tǒng)來說具有一定的參考價值。聲速的測量在超聲波測距中對提高超聲波精度有重要的作用，超聲波在介質(zhì)中的傳 播速度與溫度、壓力等因素有關，其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。中國海洋大學的曹玉華在超聲波測距系統(tǒng)設計及其在機器人模糊避障中的應用提出了采用溫度補償?shù)姆椒y量聲速，來提高超聲波測距精度。文中溫度檢測部分采用了美國 dallas半導體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器ds18b20測量環(huán)境溫度，用以溫度補償

22、以修正超聲波速度，來減小溫度變化對距離測量精度的影響。該超聲波測距裝置在1.5m的測量范圍內(nèi)，測量誤差小于5cm。山東科技大學的王紅梅在高分辨力超聲測距系統(tǒng)的研究中研究了已有超聲波測距系統(tǒng)的優(yōu)缺點，采用超聲波多次發(fā)射，以多次測量的平均值作為測量值的方法提高超聲波測距精度，并使用了溫度補償聲速的方法進一步提高了系統(tǒng)精度。為了提高儀器的分辨力，還采用了若干方法來減小隨機誤差。本文所設計的超聲波測距系統(tǒng)在測量范圍1cm10cm，精度可達到0.5%，分辨率優(yōu)于0.1mm。1.6 論文研究內(nèi)容本論文的研究內(nèi)容是近距離超聲測距系統(tǒng)，具體指標如下：（1） 量程：0.510m；（2） 電源：9vdc；（3）

23、聲道：2；（4） 超聲波頻率：40khz；（5） 測量誤差：10cm；（6） 顯示方式：數(shù)碼管顯示。第二章 系統(tǒng)設計準備2.1 超聲波的衰減從理論上講，超聲波衰減主要有三個方面： （1）由聲速擴展引起的衰減在聲波的傳播過程中，隨著傳播距離的增大，非平面聲波的聲速不斷擴展增大，因此單位面積上的聲壓隨距離的增大而減弱，這種衰減稱為擴散衰減。 （2）由散射引起的衰減 由于實際材料不可能是絕對均勻的，例如材料中外來雜質(zhì)金屬中的第二相析出、晶粒的任意取向等均會導致整個材料聲特性阻抗不均，從而引起聲的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復雜的路徑傳播下去，最終變成熱能，這種衰減稱為散射衰減。超聲波在介質(zhì)中傳播

24、時，內(nèi)于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦，從而使一部 分聲能轉(zhuǎn)變成熱能。同時，由于介質(zhì)的熱傳導，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，以及由于分子馳豫造成的吸收，這些都是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，這種衰減稱為吸收衰減。擴散衰減僅取決于波的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無關。對于大多數(shù)金屬和固體介質(zhì)來說，通常所說的超聲波的衰減，即（衰減系數(shù)）表征的衰減僅包括散射衰減和吸收衰減而不包括擴散衰減。因此，空氣介質(zhì)的衰減系數(shù)也由兩部分組成，可由下式表示： （2.1） 式中：k：熱傳導系數(shù) ：動力粘滯系數(shù) ：定容比熱 f:超聲波頻率 c：超聲波傳播速度 ：定壓比熱 ：傳播介質(zhì)密度 式(2.1)中第一

25、項是由內(nèi)摩擦引起的衰減系數(shù)，第二項是由熱傳導引起的衰減系數(shù)，由于后者比前者小得多，故在忽略熱傳導引起的超聲波衰減的情況下，衰減系數(shù)可以由下式表示: (2.2)把帶入式（2.2）可得： (2.3) 由式（2.3）可知：溫度一定時，、t均一定，衰減系數(shù)與頻率的平方成正比；頻率越高，衰減系數(shù)就越大，有效的傳播距離就越短。所以，在實際應用時，一般選擇30100khz的超聲波進行距離測量，40khz是比較典型的超聲波發(fā)射頻率，所以本文采用40khz的超聲波來測距。2.2 超聲波的傳播速度由聲波產(chǎn)生的物理過程可知，聲速與質(zhì)點速度是完全不同的，聲波的傳播只是擾動形式和能量的傳遞，并不把在各自平衡位置附近振動

26、的媒質(zhì)點傳走。某種介質(zhì)中的聲速主要取決于該介質(zhì)的密度和溫度。由于空氣沒有剪切彈性，只有體積彈性，因而氣體中聲波的傳播形式只能是縱波。也就是說，在聲擾動下，氣體介質(zhì)中的質(zhì)點在各自平衡位置附近運動，形成稠密和稀疏依次交替的傳遞過程，而且質(zhì)點運動的方向與聲波傳播的方向一致。 聲波在相當大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率發(fā)生變化，也就是說超聲波的傳播速度與可聽聲波的傳播速度是相同的，超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律與可聽聲波并無質(zhì)的區(qū)別，與一般聲波相比，超聲波具有更好的定向性，并且可以穿透不透 明物質(zhì)。 在空氣中超聲波的傳播速度主要與溫度有關，在空氣中傳播速度c為： （2.4）式中，為環(huán)境溫度。2

27、.3 超聲波傳感器的選擇本設計采用壓電式超聲波傳感器，傳感器選擇收發(fā)分體式換能器，而且換能器的體積不能過大。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1） 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到他兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2） 工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲波傳感器的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。（3） 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，林敏度低?；谝陨峡紤]，本文超聲波傳感器采用的是普遍應用的壓電式超聲波

28、傳感器t/r40-16，其特性如下：（1） t/r40-16型號代碼t-發(fā)射；r-接受；40-中心頻率；16-外殼直徑。（2） t/r40-16結構圖本設計中選用t/r40-16型超聲波傳感器，t/r40-16內(nèi)部結構示意圖如圖2-1所示。超聲波傳感器由壓電晶片、錐形喇叭、底座、引線、金屬外殼及屏蔽網(wǎng)組成。其中，壓電晶片是傳感器的核心，錐形喇叭使發(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，金屬網(wǎng)可防止外界力量對壓電晶片和錐形喇叭的損害，金屬網(wǎng)也起保護作用，但不影響發(fā)射和接收超聲波11-14。圖2-1 t/r40-16內(nèi)部結構示意圖（3） 頻率特性曲線t/r40-16超聲波傳感器的聲壓

29、電平和靈敏度曲線如圖2-2、2-3所示，從上圖中可以得知，它的聲壓能級、靈敏度在40khz的時候最大，所以電路一般選用40khz作為傳感器的使用頻率。 圖2-2 聲壓電平曲線圖2-3 靈敏度特性曲線2.4 發(fā)射脈沖波形超聲波測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖2-4所示，有單個尖脈沖、衰減振蕩脈沖、窄等幅波列脈沖和寬等幅波列脈沖。介質(zhì)中超聲波的衰減系數(shù)根據(jù)前面的分析可知是頻率f的函數(shù)，因此發(fā)射的脈沖波中不同頻率成分的波將以不同的群速度傳播，這使得脈沖波形將隨著傳播距離的增大而發(fā)生畸變，并且這種畸變程度隨距離的增加而變得顯著。在要求分辨力較高和盲區(qū)較短的超聲測量技術中，一般使用寬度較窄的脈沖波15-18。

30、圖2-4 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形2.5 測距系統(tǒng)的誤差分析和修正超聲波測距的總誤差可以由式（2.5）計算： （2.5）式中：測距總誤差；c超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；聲速誤差；測距時間的誤差；其他誤差，主要包括探頭固定誤差、噪聲干擾誤差等。由式（2.5）可以看出，要提高測距精度，必須減小時間和聲速測量的誤差，并且對干擾進行合理的分析和處理19-20。2.6 超聲波在空氣中傳播速度的補償原理由于聲速對測距影響較大，所以必須補償超聲波在空氣中的傳播速度，根據(jù)公式 可知溫度是影響聲速的主要因素。 對聲速的補償，現(xiàn)在大多采用溫度補償?shù)姆椒?，在系統(tǒng)設計中加入溫度檢測部分對環(huán)境溫度進行檢測，以提高超聲波

31、的測距精度。ds18b20是該方案常用的溫度傳感器。 但是通過溫度測量補償聲速的方法也存在著問題，由于引入了環(huán)境溫度這個參數(shù),必然會存在環(huán)境溫度測量的誤差，如果沒有合適的處理溫度測量的誤差，將會導致溫度補償聲速的誤差加大，達不到預期的目的。因此本系統(tǒng)沒有采用溫度補償聲速的方法進行聲速c的誤差校正，而是采用了標桿測量法。 標桿測量法是在超聲波發(fā)射器前設置標志桿，由于已知距離s，因此只需要測出超聲波的渡越時間，就可以根據(jù)c=s/t，算出當?shù)芈曀賑來校正實際測量的聲速。使用標桿測量法的好處是不需要通過引入溫度參數(shù)來進行聲速的補償，避免了因溫度補償聲速帶來的二次誤差。而且標桿的環(huán)境就是測量的環(huán)境，條件

32、一致，可以直接用測量的聲速c來進行誤差校正，適用范圍廣。2.7 渡越時間測量誤差的修正分析測距時間的誤差是無可避免的，因為不管你采用何種方法，計時都存在著誤差。這是由硬件本身決定的，但是如何選擇合適的渡越時間測量法來減少渡越時間測量的誤差，就是提高超聲波測距精度的關鍵所在。 現(xiàn)有的超聲波測距系統(tǒng)大多是采用單片機內(nèi)部的計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)的功能，計數(shù)器的計數(shù)頻率越高，則時間量化誤差造成的測距誤差就越小。雖然計數(shù)誤差可以由軟件來減小，但是即使是進行軟件修正，由于單片機芯片內(nèi)部計數(shù)器本身的條件限制，也無法實現(xiàn)更高精度的測距要求。由于受到計數(shù)誤差的影響，現(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)的測量范圍基本上在幾十厘米到二十米之

33、間，誤差精度在毫米級。所以如果想提高超聲波的測距精度就必須選擇高精度的時間測量方法。2.8 顯示器件選擇對于顯示器件的選擇有如下考慮：現(xiàn)有的測距系統(tǒng)使用的顯示器件中，使用最為廣泛的是lcd和led。lcd即液晶顯示器，具有可顯示內(nèi)容豐富，控制靈活、功耗低、體積小巧、重量輕等特點，在智能化儀器中得到越來越多的應用，其缺點是亮度不高，在距離較遠的時候顯示效果不夠清晰，而且控制復雜，價格比較貴，對工作環(huán)境的溫度要求也比較高；發(fā)光二極管顯示器，建成led，雖然具有顯示內(nèi)容不豐富、無法顯示漢字等缺點，但是同時也具有亮度高、顯示清晰及相應速度快等優(yōu)點，更為重要的是可靠性高、使用壽命長、在高溫和低溫下都能穩(wěn)

34、定工作，而且價格低廉。led顯示器與lcd顯示器相比，led在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢。led與lcd的功耗比大約為10：1，而且更高的刷新速率使得led在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，能提供寬達160度的視角，有機led顯示屏的單個元素反應速度是lcd液晶屏的1000倍，在強光下也可以照看不誤，并且適應零下40度的低溫。經(jīng)過比較考慮，本設計選擇了led顯示器。采用三個共陰極led數(shù)碼管來顯示測距距離。led顯示器分共陰極和共陽極兩種。共陰極led的所有發(fā)光二極管的陰極共地，當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管被點亮；共陰極led顯示器其所有發(fā)光二極管的陽極并接，當

35、某個發(fā)光二極管的陰極為高電平時，發(fā)光二極管被點亮。八段led顯示器既可以顯示數(shù)字，也可以顯示簡單的字母及符號。第三章 超聲波測距系統(tǒng)設計本文設計的的超聲波測距系統(tǒng)由于是利用數(shù)模電知識，所以完全依靠邏輯電路進行信號的檢測與計算。所以，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度很大程度上依賴硬件。因此在能保證實現(xiàn)超聲波測距所需要的功能的同時硬件的選擇應該重點考慮以下幾個條件：（1） 盡量選擇普遍使用的芯片，在系統(tǒng)調(diào)試過程中難免會發(fā)生一些意外。若使用的是非主流，比較冷門的芯片會對系統(tǒng)的調(diào)試工作帶來困難，同時典型芯片也為系統(tǒng)的標準化、模塊化打下了基礎。（2） 盡量減少硬件電路的復雜性，能在片內(nèi)實現(xiàn)的功能，最好不外接電路。（

36、3） 在電路焊接過程中盡量考慮系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性能。系統(tǒng)設計包括模擬和數(shù)字兩部分：模擬部分包括超聲發(fā)射電路、驅(qū)動電路、接收電路、放大電路、比較電路；數(shù)字部分包括計數(shù)顯示電路。硬件設計從成本和性能兩方面進行考慮，力求結構簡單，成本合理，功能完善，穩(wěn)定性好。系統(tǒng)方案框圖如圖3-1所示。圖3-1 超聲波測距系統(tǒng)方案框圖3.1 超聲波發(fā)射模塊根據(jù)超聲換能器產(chǎn)生超聲波的原理，超聲波換能器想要產(chǎn)生超聲波需要在換能器兩端加電平信號，當信號頻率跟超聲波換能器的固有頻率相等時，超聲波換能器的輸出功率最大，靈敏度最高。因此發(fā)發(fā)射模塊的關鍵就是如何產(chǎn)生與超聲波換能器，也就是本設計選取的t/r40-16超聲波換

37、能器固有頻率相等的電平信號。產(chǎn)生電平信號質(zhì)量的好壞跟振蕩電路的選擇有很大的關系，一般振蕩電路是由電阻、電感、電容等元件和電子器件組成。振蕩電路按頻率的高低可以分為超低頻（20hz以下）、低頻（20hz200khz）、高頻（200khz30mhz）和超高頻（10mhz350mhz）等幾種。由于t/r40-16的固有頻率為40khz，所以超聲波驅(qū)動電路的頻率應盡量接近40khz。但電路產(chǎn)生的脈沖信號會受到周圍環(huán)境溫度和自身放熱導致的溫度變化的影響，所以設計中采用了可調(diào)脈沖頻率的方式來抵消這種影響，使驅(qū)動電路的頻率盡量接近超聲波換能器的固有頻率。超聲波換能器驅(qū)動脈沖電路由兩塊555集成電路組成。組成

38、超聲波脈沖信號發(fā)生器。如圖3-2所示。圖3-2 超聲波發(fā)射模塊其中ic1輸出信號控制ic2與其共同組成超聲波載波信號發(fā)生器，輸出1ms頻率40khz，占空比50的脈沖，停止64ms。ic1的具體工作電路如圖3-3所示。圖3-3 ic1工作電路ic1輸出信號的計算公式如下：條件: r1=9.1m、 r2=150k、 c1=0.01f ic1輸出信號經(jīng)過ic3非門后輸入ic2如圖3-4所示。圖3-4 ic2工作電路ic2輸出信號計算公式如下：條件: r3 =1.5k、 r4=15k、 c3=1000pfic3組成超聲波換能器驅(qū)動電路，其工作電路如圖3-5所示。驅(qū)動電路主要由五個非門組成，由于直接輸

39、出的電壓信號時，電流很小，會導致功率不夠無法正常驅(qū)動超聲波傳感器，為了使超聲波傳感器的輸出功率達到最大，增加輸出功率，使傳感器的靈敏度達到最高。分別使用兩個非門在正向及反相端并聯(lián)，增大驅(qū)動電流。圖3-5 超聲波換能器驅(qū)動電路發(fā)射模塊中主要使用了555、4069兩塊芯片和超聲波換能器t40-16。555作為使用最為普遍的定時振蕩器，自從其于1971年由signetics corporation發(fā)布后，在以后30年來被大量使用，并且延伸出相當多的應用電路在本次設計中我沒有使用比較先進的基于cmos技術的timer ic如motorla的mc1455，而是使用了原規(guī)格的ne555。其內(nèi)部結構圖如圖3

40、-6所示。圖3-6 ne555內(nèi)部結構圖ne555振蕩計時器具有以下功能特性：（1） 供應電壓 4.518v（2） 供應電流 36ma（3） 輸出電流 225ma（最大值）（4） 上升/下降時間 100nsne555振蕩計時器有兩種工作模式：（1） 單觸發(fā)（單穩(wěn)）（2） 振蕩器（非穩(wěn)）單穩(wěn)模式其外部電路連接如圖3-7所示。圖3-7 單穩(wěn)模式下外部電路連接圖也就是說將定時器的6號腳和7號腳接在一起，并添加一個電容c和一個電阻r，就可以構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。而且圖3.7中的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是負脈沖觸發(fā)。穩(wěn)態(tài)時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平。暫穩(wěn)態(tài)時，觸發(fā)器輸出高電平。5號腳懸空時輸出脈沖寬度為。5號腳接控制電壓

41、時，輸出脈沖寬度為20-22。振蕩器模式下其外部連接電路如圖3-8所示。圖3-8 振蕩模式下外部電路連接圖在振蕩器工作模式下電阻和電容構成一個rc積分電路，其輸入端接施密特觸發(fā)器的輸出端，其輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。用555定時器構成多諧振蕩器就是這個思路。于是我們先用555定時器構成一個施密特觸發(fā)器，再把這個施密特觸發(fā)器改接成多諧振蕩器。設計中使用的施密特觸發(fā)器稍微復雜了一些，粗了2號腳和6號腳連接在一起構成施密特觸發(fā)器外，又增加了一個電阻。與555定時器內(nèi)部的放電管構成了一個反相器。邏輯上這個反相器的輸出與555定時器的輸出完全相同。因此，這個觸發(fā)器有了兩個輸出端，分別為555的3號腳

42、和號腳。電阻和電容c構成了rc積分電路，施密特觸發(fā)器的一個輸出端（7號腳）接rc積分電路的輸入端，rc積分電路的輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。這樣就形成了多諧振蕩。cd4069由六個cos/mos反相器電路組成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率ttl驅(qū)動和邏輯電平轉(zhuǎn)換的電路中。cc4069 提供了14引線多層陶瓷雙列直插（d）、熔封陶瓷雙列直插（j） 、塑料雙列直插（p）和陶瓷片狀載體（c）4 種封裝形式。推薦工作條件： 電源電壓范圍： 3v15v 輸入電壓范圍： 0vvdd 工作溫度范圍： m 類： 55125 e 類： 4085 電源電壓：0.5v18v 輸入電壓：0.5vvd

43、d+0.5v 輸入電流：10ma 儲存溫度：65150其工作原理如圖3-9所示。圖3-9 cd4069工作原理圖 通電后，時基振蕩器震蕩經(jīng)過分頻后向外輸出時基信號。 作為分頻器的 ic2 開始計數(shù)分頻。當計數(shù)到10時，q4輸出高電平，該高電平經(jīng)d1反相變?yōu)榈碗娖绞箆t截止，繼電器斷電釋放，切斷被控電路工作電源。與此同時， d1輸出低電平經(jīng)d2反相為高電平后加至ic2的cp端，使輸出端輸出的高電平保持。電路通電使ic1、ic2復位后，ic2的四個輸出端，均為低電平。而q4輸出的低電平經(jīng)d1反相變?yōu)楦唠娖?，通過r4使vt導通，繼電器通電吸和。這種工作狀態(tài)為開機接通、定時斷開狀態(tài)。3.2 超聲波接收

44、電路超聲波接收頭和njm4580d芯片組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經(jīng)4580的2級放大1000倍（60db），第1級放大100倍（40db），第2級放大10倍（20db）。由于一般的運算放大器需要正、負對稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9v）供電，為保證其可靠工作，這里用r10和r11進行分壓，這時在4580的同相端有4.5v的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。其電路連接如圖3-10所示。圖3-10 反射信號放大電路連接圖為了降低測距系統(tǒng)的誤差這里使用njm4580d作為放大器,njm458d是一個雙運算放大芯片，相較于普通的放大器，njm4

45、580d抗干擾能力更強，更高的增益帶寬，高輸出電流，很低的信號失真23-24。c9、d1、d2、c10組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至lm358n進行處理。如圖3-11所示。圖3-11 倍壓檢波電路由于電容的通高阻低的特性，c9將低頻信號過濾掉，由二極管的單向?qū)ㄌ匦?，將負電壓的波形過濾掉，在利用電容c10放點作用，將放大過來的單脈沖轉(zhuǎn)換成一個連續(xù)的正電壓。3.3 信號比較電路由ra、rb、ic5（lm358）組成信號比較電路。電路連接及信號波形如圖3.12所示。圖3-12 信號比較電路其中：所以當a點（ic5的反相端）過來的脈沖信號電壓高于0.4v時，b點電壓將由高電平1到低

46、電平0。同時注意到在ic5的同相端接有電容c和二極管d，這是用來防止誤檢測而設置的。在實際測量時，在測距儀的周圍會有部分發(fā)出的超聲波直接進入接收頭而形成誤檢測。為避免這種情況發(fā)生，這里由端子c直接引入檢測脈沖來適當提高ic5比較器的門限轉(zhuǎn)換電壓，并且這個電壓由電容c保持一段時間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時，由于d的作用使ic5的門限轉(zhuǎn)換電壓也隨之被提高，并且由于電容c的放電保持作用，可防止這時由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當測量距離小到一定程度時，由于d及電容c的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響。最小測量距離在40cm左右。減小電容c的容量，在環(huán)境溫度為20攝氏度

47、時可做到30cm測量最短距離。此時其放電時間為1.75ms。具體原理波形如圖3-13所示。圖3-13 防誤檢原理圖對于這部分電路lm358是核心部分，作為一個常用的雙運放芯片，它里面包括有兩個高增益、獨立的、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運放，適用與電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源的工作方式。在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組、音頻放大器、工業(yè)控制、dc增益部件和其他所有可能用單電源供電的使用運算放大器的場合。lm358的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。lm358的工作特性：（1） 內(nèi)部頻率補償。（2） 直流電壓增益高（約100db）。（3）

48、 單位增益頻帶寬（約1mhz）。（4） 電源電壓范圍寬：單電源3-31v；雙電源1.5-15v。（5） 低功耗電流，適合于電池供電。（6） 低輸入偏流。（7） 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流。（8） 共模輸入電壓范圍寬，包括接地。（9）差分輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。3.4 時間測量電路ic6（4011）組成r-s觸發(fā)器構成時間測量電路?？梢钥闯?，在發(fā)出檢測脈沖時（a端為高電平），d端輸出高電平，當收到反射回來的檢測脈沖時，c端由高變低，此時d端變?yōu)榈碗娖?，故輸出端d的高電平時間即為測試脈沖往返時間。原理如圖3-14，波形如圖3-15所示。圖3-14 時間檢測電路原理圖3-15 時間檢測電路波

49、形圖3.5 計數(shù)脈沖信號發(fā)出電路ic7（4069）組成計數(shù)脈沖電路，原理如圖3-16。3-16 計數(shù)脈沖電路原理其工作頻率f = 1/(2.2 x c x r)。電路頻率設計在17.2khz左右。這個頻率是根據(jù)聲波在環(huán)境溫度為20 時的傳播速度為343.5m/s確定的。我們知道在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變，其關系為v331.5+0.6t,其中v的單位為m/s,t為環(huán)境溫度，單位為3有關計算如下：測量距離為1m的物體時，聲波的往返時間為：。這時計數(shù)器顯示應為100，即1m，此時計數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率。如電容c(即c14)為2200pf，此時電阻由于在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播

50、速度會不同，為適應不同環(huán)境溫度下測量的需要，我們要求電阻r具有一定的調(diào)節(jié)范圍，這里用vr2,vr3進行調(diào)節(jié)，其中vr2為粗調(diào)電阻，vr3為精調(diào)電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數(shù)脈沖頻率值。3.6 計數(shù)顯示電路 計數(shù)和顯示電路由ic6（4011）、ic7（4069）、ic8（4553）、ic9（4511）組成，原理如圖3-17所示25-27。圖3-17 計數(shù)顯示電路ic8（4553）是帶有鎖存功能的三位bcd掃描計數(shù)器，這里要簡單介紹一下計數(shù)器的鎖存與清零的過程。a點波形即表現(xiàn)測試脈沖往返的時間，當a點電位由低變高時，由于c13電壓不能突變，故b點會產(chǎn)生一個復位脈沖信號使計數(shù)器清零，同時i

51、c6內(nèi)與非門被打開，ic8開始通過clock腳計數(shù)；同樣當a點電位由高變低時，由于c12電壓不能突變，故c點會產(chǎn)生一個鎖存脈沖信號使計數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，同時ic6的有關與非門被關閉，ic8開始停止計數(shù)，完成計數(shù)過程。原理圖如圖3-18，波形圖如圖3-19。圖3-18 計數(shù)器鎖存與清零過程圖3-19 計數(shù)鎖存波形圖計數(shù)顯示電路主要是由兩塊芯片構成：4553計數(shù)芯片和4511譯碼芯片，其中4553完成了這部分電路的大部分功能，其外部引腳如圖3-20所示。clock：計數(shù)脈沖輸入端，下調(diào)沿有效。 cia、cib：內(nèi)部振蕩器的外界電容端子。 mr：計數(shù)器清零（只清計數(shù)器部分），高電平有效。 le：鎖定允

52、許。當該端為低電平時，3組計數(shù)器的內(nèi)容分別進入3組鎖存器，當該端為高電平時，鎖存器鎖定，計數(shù)器的值不能進入。 dis：該端接地時，計數(shù)脈沖才能進行計數(shù)。 ds1、ds2、ds3：位選通掃描信號的輸出，這3端能循環(huán)地輸出低電平，供顯示器作為位通控制。 q0、q1、q2、q3：bcd碼輸出端，它能分時輪流輸出3組鎖存器的bcd碼。 cd4553內(nèi)部雖然有3組bcd碼計數(shù)器（計數(shù)最大值為999），但bcd的輸出端卻只有一組q0q3通過內(nèi)部的多路轉(zhuǎn)換開關能分時輸出個、十、百位的bcd碼，相應地，也輸出3位位選通信號。例如：當q0q3輸出個位的bcd碼時，ds1端輸出低電平；當q0q3輸出十位的bcd碼

53、時，ds2端輸出低電平；當q0q3輸出百位的bcd碼時，ds3端輸出低電平時，周而復始、循環(huán)不止。圖3-20 4553外部引腳圖cd4553真值表如表3-1：表3-1 cd4553真值表mrcldisle不變0上升沿00進位0下降沿00不變0x1x進位01上升沿0不變01下降沿0不變00xx鎖存0xx上升沿鎖存0xx111xx0led數(shù)碼管因為其簡單直觀、主動發(fā)光、布置靈活、經(jīng)濟性好等特點，本文中的設計優(yōu)先采用了這種顯示設備。數(shù)碼管顯示接口常用的有靜態(tài)與動態(tài)掃描顯示兩種方式，二者在硬件開銷（包括接口資源、pcb板面積等）與軟件開銷（包括數(shù)據(jù)維護、顯示碼計算等）各有所長，都得到了大量的應用。其中

54、，顯示位數(shù)較少時常采用靜態(tài)顯示方式，顯示位數(shù)較多時則采用動態(tài)掃描方式來簡化電路。設計中采用了三個led數(shù)碼管來顯示測量得到的結果，若采用靜態(tài)顯示方式，則需要使用三塊計數(shù)器，三塊譯碼器，大量的電阻來驅(qū)動三個數(shù)碼管來正常的顯示距離數(shù)據(jù)。在使用了4553后就可以利用4553的動態(tài)掃描顯示功能，將個數(shù)碼管的同名字段并聯(lián)，接在譯碼器上，再將各位數(shù)碼管的公共端各自接不同的位掃描線上，在4553工作時所需輸出的顯示碼與掃描信號配合加載在字段驅(qū)動線上，個數(shù)碼管按一定時間間隔輪流使用字段驅(qū)動器。這樣電路得到了最大的簡化，同時也大大節(jié)省了電路成本。而這種動態(tài)掃描的顯示方式也不是完美無缺，其最大的問題是顯示亮度不夠的問題。由于各個數(shù)碼管分時點亮，當顯示位數(shù)為x時，每一位點亮的時間只有顯示時間的1/x，當顯示位數(shù)過多時，數(shù)碼管的顯示亮度會大幅下降，以至于不能正常顯示。但由于本設計內(nèi)容所使用的數(shù)碼管只有三個，所以理論上應該不會出現(xiàn)顯示不正常的現(xiàn)象。cd4511是一個用于驅(qū)動共陰極 led （數(shù)碼管）顯示器的 bcd 碼七段碼譯碼器，特點：具有bcd轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的cmos電路能提供較大