1、基于超聲波傳感器的障礙物檢 測課程設計作者:日期:智能儀器儀表設計基礎課程設計報告單 位：學生姓名 :專業 :班 級 :學 號：指導老師：成 績：設計時間 :1 年 5 月指導老師提供的設計題目和要求1、設計題目 : 基于超聲波傳感器的障礙物檢測電路仿真設計2、指導老師 :3、設計條件：1 仿真軟件可用 Mlt sim 0 軟件或者 s ber 軟件。2 超聲波傳感器詳細參數 : 工作頻率： KHz 1.KHz 聲壓值:4B（30c /10Vrm sine w） 靈敏度： -82 B/v/u ba（ 0dB=vp） ;?余振： :1.2ms；?d方向性 （度）：600?電容： 000pf 0%

2、； 最大輸入電壓（ Vp-p） ：50（40KHz） 使用溫度范圍： -35 80 儲藏溫度范圍： -40 84 、 設計要求：1 設計電路包括超聲波發射電路、超聲波回波接收電路兩部分。超聲波發射電 路包括升壓激勵模塊。超聲波回波接收電路包括一級帶通濾波電路、二級帶 通電路、回波二值化電路組成。2 當在超聲波發射電路輸入端輸入 VPP= V， Vmin=0V 的方波信號時，超 聲波發射電路輸出端能輸出 PP=100V 5 ，f=4 KHZ 的一個激勵 信號。3 當在超聲波回波接收電路輸入端輸出 VPP=60mV2V ,f 40KHZ 的正弦 波信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號。當

3、在超聲波回波接 收電路輸入端輸入低電平信號時 , 超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平 信號。4 附加要求：請用虛擬儀器顯示各個電路模塊輸入端信號及輸出端信號5 、 參考書目1 胡向東，劉京誠，余成波等編著 ,傳感器與檢測技術 機械工業出版社 ,2002 張國雄主編 測控電路 機械工業出版社 ,第 4 版、摘要本次仿真實驗設計電路包括超聲波發射電路、超聲波回波接收電路兩部 分。超聲波發射電路包括升壓激勵模塊。 超聲波回波接收電路包括一階低通濾波 電路 、二級低通電路、回波二值化電路組成。在本次應用 Mltisim10 軟件仿 真實驗過程中我們用 555 定時器產生了 05V 的方波激勵信號，并

4、通過升壓激 勵電路最終能輸出 P= 0 150V ,f= 0 HZ 的一個激勵信號。而當 在超聲波回波接收電路輸入端輸出 VPP=6 V2V ,f=4 HZ 的正弦波信 號時 , 超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號。當在超聲波回波接收電路輸 入端輸入低電平信號時，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號。二、相關電路概述及原理簡介1、超聲波傳感器超聲波發射與回波接收電路的主要作用是提高驅動超聲波傳感器的脈沖 電壓幅值，有效地進行電 /聲轉換，增大超聲波的發射距離 ,并通過收發一體的超 聲波傳感器將返回的超聲波轉變成微弱的電信號。 超聲波發射與回波接收電路如 圖 3 所示 （畫出一路 ,其他

5、三路與該路一樣 ） 。圖 超聲波發射原理圖EFR4RS 是收發一體封閉（防水 ）型超聲波傳感器，其中心頻率 f0（4 .01）kz，-3 dB 帶寬 H。驅動電壓峰一峰值要求 0150 V。 CD405是雙路四選一模擬開關，單片機的 P3.4和 3.5 端口輸出選通信號，單片機的 P3端口輸出一串 4 kH的脈沖電壓 ,通過CD452的X 路加到選 通的開關三極管基極， 經脈沖變壓器 T升壓至 100 VP-P 左右，驅動超聲 波傳感器 FR4R發射超聲波。發射時的脈沖電壓幅值大小直接影響測距的 遠近,應采用超聲波專用的脈沖變壓器。反射回的超聲波經原收發一體封閉型超 聲波傳感器變成毫伏級的一串

6、脈沖電信號。由于回波電信號的幅值小， VD 和 VD4 二極管截止 ,該信號不會通過 T變壓器副邊線圈形成短路。 D1 和 VD2 二極管也截止 ,所以回波電信號經 R1和C,通過 CD4052的路送到超聲波電信 號放大與整形電路。 R1 和D1，VD2 組成雙向限幅電路，避免發射時的大信號 造成超聲波放大與整形電路阻塞，甚至損壞電路。、55 定時器5 5 定時器是一種模擬和數字功能相結合的中規模集成器件。一般用雙極 性工藝制作的稱為 55,用 OS工藝制作的稱為 755,除單定時器外 , 還有對 應的雙定時器 556/ 55。55定時器的電源電壓范圍寬 ,可在 4.5V16V工作， 55 可

7、在 318V工作，輸出驅動電流約為 2 mA，因而其輸出可與 TTL、C OS或者模擬電路電平兼容。電路組成：圖 2 555 定時器構成的多諧振蕩器電路用 555 定時器構成的多諧振蕩器電路如圖所示 :圖中電容 C 、電阻 R1 和 R2 作為振蕩器的定時元件 ,決定著輸出矩形波正、負脈沖的寬度。定時器的觸發輸 入端（2腳）和閥值輸入端（腳）與電容相連 ;集電極開路輸出端（ 7 腳）接R1、 相連處 ,用以控制電容 C 的充、放電；外界控制輸入端 （5 腳）通過 .1F 電容接地。多諧振蕩器的工作波形如圖所示， 電路接通電源的瞬間， 由于電容來不及 充電， Vc=0v,所以 555 定時器狀態

8、為 1，輸出 V為高電平。同時，集電極輸出端（7腳）對地斷開 ,電源 c對電容 C 充電,電路進入暫穩態 I,此后,電路周而復 始地產生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個暫穩態的維持時間取決于R充、放電回路的參數。 暫穩態的維持時間， 即輸出 V 的正向脈沖寬度 T107（ 持時間 ,即輸出1R） C;暫穩態的維的負向脈沖寬度 T20 .7R2。圖 3 多諧振蕩器的工作波形 ? 因此，振蕩周期 T 1+ =.7（ R1 2R2）C，振蕩頻率 f /。正向脈沖寬度 T與振蕩周期 T 之比稱矩形波的 占空比 ,由上述條件可得 D=（R1+R2）（/ R1 ），若使 R1,則 1/2， 即輸出信號的正

9、負向脈沖寬度相等的矩形波（方波 ）。電容器 C放電所需的時間 為:tPL=R*ln2 0. ；當 C放電結束時,T 截止， Vcc將通過 R1、R向電容 器C充電,Vc 由Vcc/上升到 2V c3所需的時間為 :t H=（R1+R） * *ln207（1+R）*;當c上升到 2Vcc3時,觸發器又發生翻轉 ,如此 周而復始,在輸出端就得到了一個周期性的方波， 其頻率： f= /（tP+PH）.43/ （R12*R2）* 555 定時器成本低 , 性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現多 諧振蕩器、 單穩態觸發器及施密特觸發器等脈沖產生與變換電路。 它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、

10、家用電器、電子測量及自動控制等方面。5 5 定時 器內部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯電阻 ,一個 RS觸發器, 一個放電管 T及功率輸出級。它提供兩個基準電壓 VCC /3 和 2VCC 3。本次仿實驗中我們將利用 555如圖4 所示。?圖 4 5定時器構成的多協振蕩器參考圖多諧振蕩器應用舉例A.模擬聲響發生器：將兩個多諧振蕩器連接起來 ,前一個振蕩器的輸出接到后一個振蕩器的復 位端 ,后一個振蕩器的輸出接到揚聲器上。這樣 ,只有當前一個振蕩器輸出高電平 時，才驅動后一個振蕩器振蕩 , 揚聲器發聲；而前一個振蕩器輸出低電平時 ,導致 后面振蕩器復位并停止震蕩， 此時揚聲器無音頻輸出。 因此

11、從揚聲器中聽到間歇 式的嗚.嗚聲響。B.電壓 頻率轉換器 :由 55 定時器構成的多諧振蕩器中， 若定時器控制輸入端 （腳 ）不經電容接 地 ,而是外加一個可變的電壓源 ,則通過調節該電壓源的值 ,可以改變定時器觸發 電位和閥值電位的大小。外加電壓越大 ,振蕩器輸出脈沖周期越大 , 即頻率越低 ; 外加電壓越小，振蕩器輸出脈沖周期越小 ,即頻率越高。這樣，多諧振蕩器就實 現了將輸入電壓大小轉換成輸出頻率高低的電壓 頻率轉換器的功能。 3、低通濾波器濾波器的工作原理是當信號與噪聲分布在不同的頻帶中時，利用濾波器對 不同頻率信號有不同的衰減特點 , 從頻率域實現信號分離。本次試驗中采用無限 增益多

12、路反饋型濾波電路， 它是一個由賦以多路反饋的理論上具有無限增益的運 算放大器構成的濾波電路。 圖所示分別是一階有源低通濾波器和由單一運算放 大器構成的無限增益多路反饋二階低通濾波電路的基本結構。 無限增益多路反饋 二階低通濾波器參數如公式（ 1）。式（）三、超聲波傳感器的障礙物檢測電路設計思路本次仿真實驗設計電路包括超聲波發射電路、超聲波回波接收電路兩部分。根據超聲波傳感器相關資料我們了解到 ,超聲波傳感器的工作電壓是在 100V1 0，在本次仿真實驗中 , 我們利用一個 2nF 的電容代替超聲波傳感器，因此 , 我們需要在電容的一端輸出 100V15 V 的電壓值，以滿足實際超聲波傳感器 工

13、作需要。 由于超聲波傳感器是收發兩用傳感器， 因此在發出超聲波的同時也會 接收到一個 60 V2V 左右的信號作為反饋信號 ,但由于信號幅值較小同時包 含噪聲 ,我們需要首先對其濾波放大。其次，由于設計需要 ,我們需要將該信號轉 變為近似方波信號。因此，我們設計的超聲波發射電路包括升壓激勵模塊以及 555 定時器方波發生器模塊 , 而超聲波回波接收電路包括一級低通濾波電路 、二 級低通電路、回波二值化電路模塊。當在超聲波發射電路輸入端利用 555 定時器方波發生器輸入 VPP=5V ,m n=0 的方波信號時，超聲波發射電路通過變壓器升壓使輸出端能輸出VPP10 50V ，f=4 KZ 的一個

14、輸出信號。另外 ,在本次試驗中我們利用 一個 2n 的電容代替超聲波傳感器， 因此,在輸出端輸出 100V 50V 信號時 , 在另外的超聲波回波電路輸入端會接收到一個VP=6 mV ,f 40KHZ 的信號。當在超聲波回波接收電路輸入端輸出 VP=60m ,f=40KHZ 的正 弦波信號時 , 我們利用兩級低通濾波器進行濾波，得到所需要的波段。然后利用 比較器進行二值化處理，當在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號時, 超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號。四、超聲波傳感器的障礙物檢測電路實際設計1 、 超聲波發射電路部分在本次應用 Multi 10 軟件仿真設計試驗中 ,我們用555

15、定時器產生 0 5V 的方波，并通過變壓器升壓激勵模塊將方波升壓為 100 150V ,f=40K Z 的一個輸出信號 ,然后通過輸出端輸出一個正弦信號。 555 定時器電路圖如圖 5 所示。發射端電路圖如圖 6 所示。圖 6 5 5 定時器電路圖 6 超聲波發射電路2 、 超聲波回波接收電路部分 超聲波回波接收電路包括一級有源低通濾波電路、 無限增益多路反饋二階低 通濾波器、回波二值化電路組成。當在超聲波回波接收電路輸入端輸出 V P=60mV V， f=40K Z 的正弦波信號時 , 超聲波回波接收電路輸出端能輸 出電平信號。當在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號時 , 超聲波回波接

16、收電路輸出端能輸出高電平信號。圖 8 超聲波回波接收電路1）濾波電路部分設計在超聲波回波接收電路中， 本次仿真我們應用了一個一階有源低通濾波器和 兩個無限增益多路反饋二階低通濾波器進行信號的濾波， 將第一級低通濾波器的 轉折頻率取為 41k 而第二級為 9 h,通過兩級濾波最終獲得 f=40KHZ左右）的正弦波信號在本次設計中，我們利用濾波器設計軟件對濾波器參數進行參數設置。圖 9 濾波器參數設置2） 二值化電路部分設計在濾除干擾波形之后 ,采用了反向比較器的二值化電路，如圖 11 ，其原理3）超聲波回波接收電路兩種電路比較為了使我們所設計的電路更具有可觀性，我們也利用課堂上學到的為了能夠更好

17、的達到實驗效果， 我們借鑒資料設計了基于帶通濾波器的超聲3、 otues 軟件繪制的總體電路圖圖 1 二值化電路設計用濾波后的信號與其相比較，大于基準值輸出為負值，小于基準值輸出為正值。Protues 繪制仿真軟件將整體的電路圖進行了繪制。波回波接收電路。這里，參數設計同時也是利用的濾波器設計軟件。是在反向輸入端接入一個比較基準電壓 ,通過電阻分壓后得到基準電壓。然后利圖 1 超聲波回波接收電路之圖 12 總體電路圖五、實驗結果分析如圖 1,為超聲波發射電路部分中應用 555定時器發生的幅值在 5范 圍內的脈沖信號 ,并用虛擬示波器測得。通過 Mul isi 軟件仿真出來的數據結果，整體是比較

18、滿意的，可以看出 555 定時器的仿真效果有達到我們預期圖 13 5 5 定時器的仿真信號圖下列圖為由 555 定時器產生的脈沖信號經過開關電路 、升壓變壓電路等電路 處理后的 10 V 5 V,f=40KH 的一個近似正弦信號。但是在超聲波發生 電路中的仿真我們可以看到有失真。 通過調節滑動變阻器的數值， 我們可以看出 如下變化 :圖 14 V =1K ，超聲波發射電路輸出值變化圖 RV1= 0K, 超聲波發射電路輸出值變化圖 1 RV1=20K, 超聲波發射電路輸出值變化 根據圖像我們可以得出通過調節 RV1 滑動變阻器的阻值， 可以將輸出波形 調節的更加平滑， 用以滿足我們所需的實驗效果

19、。 通過進一步的探索我們可以了 解到不僅僅是 V滑動變阻器對輸出波形有影響 ,負載電阻 1 以及震蕩電阻 均會對輸出波形產生一定的影響。 通過測試實驗我們可知， 在保證輸出波形 較為平滑和完整的情況下 ,可以將負載電阻 R1 和震蕩電阻 R2 取大一點，以滿足 仿真的需要。圖 1是經過超聲波模擬器件接收到輸出 PP60mV2 ，f 40KHZ的回波。由圖可知，其幅值約為 .6 v，滿足我們的預期實驗效果。證明發超聲波回波接收電路輸入端輸出 PP=60mV2V ，f= KHZ 的正 弦波信號， 在本次仿真實驗中， 我們用虛擬儀器模擬輸入一個滿足實驗要求的正 弦信號,如圖17 紅線所示,其中藍線為

20、一級低通濾波后的信號 （幅值約為 1.4 v） ，紫線為二級低通濾波后的信號（幅值約為 2.397v ）,綠線為三級無限增益 多路反饋低通濾波器濾波后的信號 （ 幅值約為 2.261v ）。通過圖像顯示 , 我們可以看出效果放大和濾波效果均可以達到我們的預期 , 因此濾波器的設計滿足我們的實驗需求。圖 18 各級濾波器信號效果 在二值化電路通過節點示波器采樣得到的信號圖 （如下圖所示 ）, 我們可以 看到其大致為一個三角波形，幅值在 3458 4074 之間。圖 20 輸出信號效果圖 由輸入正弦波信號源信號與上圖信號比較我們可以看出，當在超聲波回波 接收電路輸入端輸入低電平信號時， 超聲波回波

21、接收電路輸出端能輸出高電平信 號。圖 21 超聲波回波接收電路輸出端信號與輸入端信號對比六、誤差分析系統的誤差來源于多方面，由于系統使用了多傳感器進行檢測 , 因此，每一個器件的性能都會影響到總體結果的準確性 , 例如元件參數隨外界條件的變化而變化可能會導致系統的誤差。而系統工作方式也會帶來誤差, 單片機的工作頻率有限 ,造成對信號的影響以及計數存在著延遲 , 這也是誤差產生的一個方面。以上誤差是不可避免的， 而電路設計以及算法本身也可能存在誤差， 在設 計過程中 ,努力減小因這種方式造成的誤差從而保證系統精確度是很重要的。七、實驗總結通過本次實驗，我了解了基于超聲波傳感器的障礙物檢測電路仿真電路 的基本構成， 基本了解了超聲波發射電路、 超聲波回波接收電路以及各模塊和各 傳感器的作用。在本次的實驗中， 我們仿真取得的實驗效果還