1、電子技術基礎課 程 設 計題目名稱： 超聲波測距儀 指導教師： 楊子康 學生班級： 2013級電氣7班 學 號： 20134092 學生姓名： 王航 評語： 成績： 重慶大學電氣工程學院 2015年7月6日摘要在現代生活中，隨著經濟的快速發展，人們的需求也變得越來越多。而超聲波測距儀的出現給廣大的群眾人民帶來了很大的便利。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，所以經常用超聲波來測量距離，如測距儀和物體測量儀，超聲波測距儀裝置上有設置瞄點裝置，只要把儀器對準要測量的目標，就會出現一點在測距儀的顯示屏幕上，主要是通過聲速來測量的，肉眼看不見射出的線。超聲波測距儀用途有許許多多。比如

2、測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，在平時生活中用到的如超聲波倒車提示、盲人拐杖等等。超聲波測距儀它存在是有現實意義的，這不僅僅只是一個研究，更多的是能夠幫助人們更加便利的生活。 目錄一、設計目的二、設計要求 3、 超聲波電路工作原理四、各部分參數計算及其波形4.1 超聲波發射電路4.1.1 超聲波脈沖信號發生器4.1.2 超聲波載波信號發生器4.1.3 超聲波驅動電路4.2 超聲波接收電路4.2.1 超聲波信號檢測與放大4.2.2 信號比較電路4.2.3 時間測量電路4.2.4 計數電路脈沖發生器4.2.5 計數顯示電路4.3 電源電路五、輸出波形六、元器件說明及參數選擇與計

3、算6.1 NJM4580雙路運算放大器6.2二極管1N4148七、心得體會一、設計目的1、 掌握便攜式超聲波傳感器、波形發生電路的性能與應用；2、 掌握常用運算放大電路、數字集成電路、555電路的功能和使用。二、設計要求1、應用于車輛倒車、盲人手杖等測距，攜帶方便。2、 三位LED數字動態顯示車與障礙物之間的距離，距離測量范圍為0.3-5m，測量精度為1cm。發揮部分具有蜂鳴提示音，小于1m時具有報警提示功能。三、超聲波電路工作原理1. 超聲波測距原理 超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計

4、時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2，就是所謂的時間差測距法。四、各部分參數計算及其波形4.1超聲波發射電路超聲波測距電路采用555定時器U1成時基電路進行超聲波發射工作。U2為超聲波載波信號發生器，IC1構成超聲波發射頭驅動電路。因為超聲波傳感器的中心頻率為40kHz，因此驅動發射頭的信號也必須為40KHz，而且有一定的功率要求。理想情況下，驅動信號應該為占空比為1的方波，或者是正弦波形。在發射探頭允許的電壓范圍內，驅動信號的幅值應盡量取大，以獲得較大的發射功率，從而使系統具有大的測量范圍。由555時

5、基電路及外圍元件構成40kHz多諧振蕩電路輸出信號可以滿足所有這些要求。調節時基電路中相關電阻的阻值，可以改變振蕩頻率，最終可以達到40kHz。所設計的電路理想工作電壓為9V，工作電流可以達到40-50mA，采用獨立的9V電源對555供電，可以增強超聲波發射的能量和測量精度。4.1.1 超聲波脈沖信號發生器由兩塊555集成電路組成。IC1（555）組成超聲波脈沖信號發生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差別。 2腳（TRI），6腳(THR)是555輸入端，3腳(OUT)為輸出端，7腳(DIS)為放電端，8腳(VCC)接9V電源，電源通過R1,R2對C1進行充電。條件

6、: R1=10.57M、 R2=150K、 C1=0.01F 假設超聲波測距電路能測得最大距離為10米，則波來回時間t=2s/v=20/340=58.8ms故IC1發射出的超聲波的周期應大于58.8ms.放電時間常數：TL =0.69 x R2 x C1 =1 ms 充電時間常數為：TH = 0.69 x (R1 + R2) x C1 = 70 ms周期T=70ms>58.8ms振蕩頻率f=1/(TH+TL)=14.29HZ4.1.2 超聲波載波信號發生器U2組成超聲波載波信號發生器，由U1輸出的脈沖信號控制。通過VR1調節載波信號發生器的頻率與占空比，C3為充放電電容。要產生40KHZ

7、的超聲波振蕩頻率，周期T=0.025ms，當R4=1.5K,R3=8.2K時，確定電位器VR1的取值。條件: R3 =2K、 R4=16K、 C3=1000pF 條件: R3=2K、 R4=16K、 C=1000pF充電時間常數：TH1=0.69C3(R4+R3)放電時間常數：TL1=0.69C3R4由0.025msTH1+TL1得出R3=2K、 R4=16K足以產生40KHZ振蕩頻率的超聲波。4.1.3 超聲波驅動電路此電路對超聲波起驅動作用，以致能夠使超聲波發射頭能夠發射出超聲波，其中，C2起濾波作用。 仿真圖有如下：4.2 超聲波接收電路超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波

8、形變換電路三部分。由于經接收頭變換后的正弦波電信號非常弱，因此必須經放大電路放大。正弦波信號需要變換為直流信號以判斷是否有回波及回波的大小。 4.2.1 超聲波信號檢測與放大超聲波接收頭和U2A、U3A組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波。信號經U2A、U3A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U2A、U3A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量，不至于產生信號失真。C4、

9、D3、D5、C5 組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至U8A進行處理。 4.2.2 信號比較電路 IC2、IC3、U6、U7、U8組成信號比較、測量、計數和顯示電路，即比較和測量從發出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下面分析其工作原理。仿真圖分析電路如下：由R21、VR3、R22、U5A組成信號比較器。其中 Vrf = (R22 x Vcc)/(R21 + R22+VR3) = (16K x 9V)/(20K + 16K) = 0.4V 所以當2點（U5A 的反相端）過來的脈沖信號電壓高于 0.4V時，1點電壓將由高電平"1"到低

10、電平"0"。同時注意到在U5A的同相端接有電容C19和R22，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。為避免這種情況發生，這里用D3直接引入檢測脈沖來適當提高U5A比較器的門限轉換電壓，并且這個電壓由C19保持一段時間，這樣在超聲波發射器發出檢測脈沖時，由于D3的作用使IC5的門限轉換電壓也隨之被提高，并且由于 C19的放電保持作用，可防止這時由于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R22及C19的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響。圖示參數的最小測量距離在40cm左右。

11、減小 C19的容量，在環境溫度為 20 時可做到30cm測量最短距離。此時其放電時間為1.75ms。4.2.3 時間測量電路U4A、U5A、U6A組成R-S觸發器構成時間測量電路。可以看出，在發出檢測脈沖時（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端變為低電平，故輸出端D的高電平時間即為測試脈沖往返時間。DCBA4.2.4 計數電路脈沖發生器其工作頻率f = 1/(2.2 x C x R)。電路頻率設計在 17.2kHz左右。這個頻率是根據聲波在環境溫度為20 時的傳播速度為340m/s確定的。我們知道在不同的環境溫度下，聲波的傳播速度會有所改變。測量距

12、離為1m的物體時，聲波的往返時間為：2m/340(m/s)=5.88ms。這時計數器顯示應為100，即1m，此時計數電路脈沖發生器的頻率f100/(5.88×10-3)=17(kHz)。如電容C為2200pF，此時電阻 R = 1/(2.2 x C x f) = 1/(2.2 x 2200 x 10-12x 17 x 103) = 12K 由于在不同的環境溫度下，聲波的傳播速度會不同，為適應不同環境溫度下測量的需要，我們要求電阻R具有一定的調節范圍，這里用R3,R4進行調節，其中R4為粗調電阻，R3為精調電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計數脈沖DCBA這里簡單介紹一下計數器的清零

13、及數據鎖存過程。計數采用的是3片160十進制數。輸出端直接接數碼顯示管計數。當RS觸發器輸出端A電位由高位變成低位時，B端由高電位變成低電位。將B連接到160的P、T端實現鎖存功能。D端接160的清零端（CLR），當C點電位由低變高時，D端產生一個低電位信號。將其輸入160清零端進行清零。3片160置數端都接高電位，輸入端都接地。前一片的輸出作為下一片的時鐘電路。4.2.5 計數顯示電路 1. 計數譯碼電路當電路正常工作時，160開始計數。當RS觸發器接收到超聲波的反射信號時，也就是上圖中S2斷開時，導致接到160的P、T端變成低電平，進行鎖存。當要進行下一次計數時，相當于S1由接地變到接高電

14、平，實現160的清零。4.3 電源電路在電源電路中，接入12V電壓，通過D6整流，C18,C7濾波及L7809穩壓之后輸出9V穩定電壓接入到電路中。五、輸出波形六、元器件說明及參數選擇與計算6.1.NJM4580雙路運算放大器NJM4580是雙路運算放大器，具有無噪聲、更高的增益帶寬、高輸出電流和低失真度，不僅非常適用于音響前置放大器的音響電子部分和有源濾波器，還適用于工業測量工具。它可應用于通用方便型運算放大器，以及應用于適當偏置低電壓源的低電壓單電源型。主要參數如下：工作電壓(±2V到±18V);低輸入電壓噪聲(一般為0.8Vrms);寬增益帶寬積(一般為15MHz);

15、低失真度(一般為0.0005%);轉換速率(一般為5V/s) 6.2.二極管1N41481N4148是一種小型的高速開關二極管，開關比較迅速，100V反向耐壓和150mA平均正向電流，非常適合一般場合做普通整流用。4pF的結電容和4nS的反向恢復時間足夠滿足多數場合使用。非常易于獲得，以及價格低廉，通用性極廣的一個小信號高頻二極管。1N5819的特點是速度超快（開關損耗低），正向壓降特低（電壓損耗低），不過反向耐壓也低，通常少于60V，適用于低壓(不高于12V)開關電源。1N4148則是點接觸型的小電流高頻開關二極管，速度高，不過工作電流才150mA，廣泛用于信號頻率較高的電路。&#

16、183;主要參數：電流：正常正向電流 If:150mA ； 最大正向電流 Imax:300mA； 最大重復峰值電流 Ifs:450mA電壓：最大重復峰值電壓 Umax:100V； 最大連續反向電壓 Urrm:75V； 最大正向電壓 Uf :1V時間：反向恢復時間 trr :4ns功率：最大功耗 Ptot:500mW七、 心得體會在這次的電子設計中，我學到了很多。不僅僅是學到了很多知識，還提高了自己的動手能力和創新能力。通過自己設計電路來解答問題，帶給了我一種前所未有的成就感。其次，我還明白了團結的重要性。光靠一個人來完成設計是非常困難的。然而一個小組來就簡單了很多。我們有不同的想法和設計。然后我們再提出來共同討論，選出其中的優點，然后不斷的改進。這一點不光適用于我們