1、. . . . 1 / 15信信 息息 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院氣氣 象象 電電 子子 綜綜 合合 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 報(bào)報(bào) 告告超聲波測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距雷達(dá)設(shè)計(jì)摘摘 要要該設(shè)計(jì)是采用兩級(jí) NE555 產(chǎn)生足夠頻率與強(qiáng)度的脈沖信號(hào)由超聲波發(fā)射探頭發(fā)射，脈沖信號(hào)遇到障礙物返回，返回信號(hào)由超聲波接收探頭接收后通過(guò)兩級(jí)放大，檢波電路檢波。而從發(fā)射到接收到信號(hào)過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間再乘以波速即為距障礙物兩倍的距離。再將得到的距離值顯示在數(shù)碼管上。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：超聲波發(fā)射接收；信號(hào)放大；數(shù)碼管顯示. . . . 2 / 15AbstractAbstractThe design i

2、s by the two stage NE555 generate enough frequency and intensity of the pulse signal from the ultrasonic transmitting probe launch. Pulse signal meets the obstacle return.The return signal from the ultrasonic receiving probe after receiving through two stages of amplification, demodulation circuit d

3、etector.From transmitting to receiving signal process time multiplied by the velocity is two times the distance from obstacles. The distance values in the digital tube display.KeyKey words:words: ultrasonic emission receiver; signal amplification; digital tube display目錄目錄1 項(xiàng)目計(jì)劃 11.1 引言 11.2 項(xiàng)目描述 11.

4、3 項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃 12 設(shè)計(jì)說(shuō)明 22.1 設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖 22.2 各單元模塊設(shè)計(jì)原理 22.2.1 超聲波產(chǎn)生電路 22.2.2 載波發(fā)生器 32.2.3 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 32.2.4 超聲波接收電路 42.2.5 時(shí)間測(cè)量電路 52.2.6 計(jì)數(shù)脈沖 6. . . . 3 / 152.2.7 計(jì)數(shù)、鎖存、顯示 62.2.8 電源部分 83 調(diào)試說(shuō)明 93.1 調(diào)試方法與步驟 93.2 調(diào)試結(jié)果 94 總結(jié) 115 參考文獻(xiàn) 116 附錄 11. . . . 1 / 151項(xiàng)目計(jì)劃1.1引言超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)

5、射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。主要是超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以與用 LM92 溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。1.2項(xiàng)目描述本設(shè)計(jì)采用有源探頭，接收的回波信號(hào)在探頭部放大整理后輸出，發(fā)射信號(hào)也在探頭部耦合驅(qū)動(dòng)傳感器，

6、利用時(shí)差法來(lái)確定傳感器和反射物之間的距離。系統(tǒng)要求：1.不可使用單片機(jī)等微處理器2.額定電壓為直流 12V，工作電流最大 500mA，工作溫度-30+80C.3.測(cè)量圍：最大有效測(cè)量距離 200 厘米，最小測(cè)量距離為 30 厘米。1.3項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃2011.11.222011.11.29查資料，完成原理圖、PCB 繪制與電路板的制作；. . . . 2 / 152011.11.292011.12.12 電路板的調(diào)試；2011.12.062011.12.12完成報(bào)告的編寫；2設(shè)計(jì)說(shuō)明2.1設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖2.2各單元模塊設(shè)計(jì)原理2.2.1超聲波產(chǎn)生電路由一個(gè) NE555 構(gòu)成超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器，

7、工作周期為 337us，占空比為 98%的脈沖。圖 2-1 超聲波產(chǎn)生電路2.2.2載波發(fā)生器由另一個(gè) NE555 的 4 腳接收上一個(gè) NE555 輸出的脈沖信號(hào)控制，輸出. . . . 3 / 151ms 頻率 40KHz，占空比為 50%的脈沖，停止 64ms 后發(fā)送下一個(gè)周期。圖 2-2 載波發(fā)生器2.2.3發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路將第二個(gè) NE555 的輸出的單邊脈沖信號(hào)輸入 CD4069 經(jīng) 4069 中的反相器把輸入的脈沖轉(zhuǎn)化為雙邊信號(hào)。圖 2-3 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路2.2.4超聲波接收電路超聲波接收頭和 LMN324 構(gòu)成超聲波信號(hào)的檢測(cè)和放大反射回來(lái)的超聲波信號(hào)經(jīng) LMN324 的兩級(jí)放大 9

8、00 倍，第一級(jí)放大 30 倍，第二級(jí)放大 30 倍。放大后的信號(hào)送至由 D6,D7,C17,R28 組成的包絡(luò)檢波電路中將包絡(luò)檢出，此時(shí)檢出信號(hào)有兩個(gè)脈沖，前一個(gè)為發(fā)射機(jī)發(fā)射時(shí)接受到的，后一個(gè)才為遇到目標(biāo)物返回的信號(hào)，為了濾除第一個(gè)脈沖，將發(fā)射機(jī)第二個(gè) NE555 的輸出信號(hào)與檢出信號(hào)分別作為 LM324 的兩個(gè)輸入做比較，濾除第一個(gè)脈沖。CSB2RX11223344556677889910101111121213131414IC4LM N324R6RE S2C7104R2230KR231MC8104R2630KR271MR710KR810KC16104VCCC6102JS_SINGL ED

9、5LE DD7DIOD EJS_SINGL EC17CA PR28RE S2R251MR2947KVCCC18CA PD8DIOD EFS_Z BX HFD6DIOD ER243KJS_XH圖 2-4 超聲波接收電路. . . . 4 / 152.2.5時(shí)間測(cè)量電路由 CD4011B 中四個(gè)與非門構(gòu)成 R-S 觸發(fā)器的構(gòu)成時(shí)間測(cè)量電路，管腳12.13 接二級(jí)放大后的發(fā)射脈沖，管腳 6 接處理過(guò)的返回脈沖。在發(fā)出檢測(cè)脈沖時(shí)，管腳 8 輸出高電平，當(dāng)接收到反射回來(lái)的檢測(cè)脈沖時(shí)，管腳 8 輸出電平由高變低，故管腳 8 輸出的高電平時(shí)間即為測(cè)試脈沖往返的時(shí)間。123456ABCD654321DCBA1

10、122334455667788IC 6N E555R 9200C 10103C 9103V CCJS M C123R 105K圖 2-5 時(shí)間測(cè)量電路2.2.6計(jì)數(shù)脈沖由 CD4069 組成計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器，由 CD4011 輸出的時(shí)間測(cè)量脈沖，電路頻率為 8.912kHz。. . . . 5 / 1511223344556677889910101111121213131414IC7CD 4069VCCTIME _X HC12104C11104R125.1KD21N 4148D11N 4148R115.1KRE SE TLO CK圖 2-6 計(jì)數(shù)脈沖發(fā)生電路2.2.7計(jì)數(shù)、鎖存、顯示RESE

11、T 端輸入一個(gè)復(fù)位脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)與非門被打開，通過(guò)FREQUENCY 腳計(jì)數(shù)，當(dāng) LOCK 端輸入一個(gè)鎖存脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，與非門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。這樣就完成了一次計(jì)數(shù)。圖 2-7 計(jì)數(shù)鎖存電路. . . . 6 / 15abfcgdeDPYa4b5d9c7dp6f2g1e10dpcom3com8SM G1SMGabfcgdeDPY 2dpabfcgdedpf11g12a13b14com15com26f27a28b29dp210c211g212d213e214dp115c116d117e118SM G2SM G-2DS3DS1DS2SMG_ASMG_ASMG_ASMG_BS

12、MG_BSMG_BSMG_CSMG_CSMG_CSMG_DSMG_DSMG_DSMG_ESMG_ESMG_ESMG_FSMG_FSMG_FSMG_GSMG_GSMG_GVCCR203KB1E2C3PN P1S8550PN P2S8550PN P3S8550圖 2-8 顯示電路2.2.8電源部分在電源正負(fù)兩端分別并 的瓷片電容和 22u 的電解電容起穩(wěn)壓濾波的作用，接 LED 燈顯示電路是否通電，為保護(hù)發(fā)光二極管串 3K 的電阻分壓。. . . . 7 / 151234J2PO WER123J1PO WER123SWIT CHSWIT CHVCCR213KD3LE DC15104C1422U圖

13、2-9 電源電路3調(diào)試說(shuō)明3.1調(diào)試方法與步驟設(shè)計(jì)好的電路板用示波器分級(jí)觀察發(fā)射、接收部分的波形是否符合設(shè)計(jì)要求，若不符合則分析計(jì)算，更換器件或器件參數(shù)等，完成此部后將電路通電觀察測(cè)距效果，若不理想再返回用示波器觀察調(diào)試，如此重復(fù)往返，得出最好的測(cè)距效果。3.2調(diào)試結(jié)果下圖為第一個(gè) 555 的輸出波形。. . . . 8 / 15下圖為第二個(gè) 555 輸出波形，f=40kHz。下圖為超聲波發(fā)極探頭的波形圖，f=40kHz。下圖第一個(gè)以后的脈沖串為未經(jīng)檢波的反射脈沖信號(hào)。. . . . 9 / 15下圖為檢波放大后的反射脈沖信號(hào)4總結(jié)本次氣象電子綜合設(shè)計(jì)做的超聲波測(cè)距電路是采用有源探頭，接收的回

14、波信號(hào)在探頭部放大整理后輸出，發(fā)射信號(hào)也在探頭部耦合驅(qū)動(dòng)傳感器，利用時(shí)差法來(lái)確定傳感器和反射物之間的距離，并將距離值顯示在數(shù)碼管上。在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，遇到了許多困難，做第一塊板子很順利但布局和效果都不理想，做了第二塊板子效果不如第一塊，調(diào)了很久都沒(méi)出效果，總的來(lái)說(shuō)調(diào)試的進(jìn)度比較慢，用時(shí)較長(zhǎng)，但通過(guò)努力，仔細(xì)的分析和進(jìn)行多方面的調(diào)試后解決了一些問(wèn)題，能測(cè)距，能顯示，但分辨率還是較低。在此次的氣象電子綜合設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)自己查資料學(xué)到了很多知識(shí)，. . . . 10 / 15增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)合作的意識(shí)與自身的綜合能力。5參考文獻(xiàn)1 綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐，王振紅、常年，：清華大學(xué)，20082 大氣探測(cè)原

15、理，文煜，：氣象，20073 綜合電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐,田良等，：東南大學(xué)4 氣象雷達(dá)原理與系統(tǒng)，何建新，：新編（尚未出版） ，2010 5電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)篇（第二版）余小平，奚大順，航空航天大學(xué)6附錄附錄一 表 6-1 主要元器件清單序號(hào)元器件名型號(hào)數(shù)量備注18 腳時(shí)基集成電路NE555 32六反相器CD406923四運(yùn)放LMN32414四與非門CD4011B153 位 BCD 碼計(jì)數(shù)器MC1455316譯碼器MMC451117單個(gè)數(shù)碼管SMG118二聯(lián)數(shù)碼管SMG219超聲波接收探頭RX110超聲波發(fā)射探頭TX1附錄二 . . . . 11 / 15圖 6-1 原理圖11223344556677

16、88IC1NE 555R21MR120KC1103C2474VCCVCCFS_Z BX H1122334455667788IC2NE 555R45.1KR315KC4102C3103VCCFS_Z BX HFFS_X H11223344556677889910101111121213131414IC3CD 4069VCCFS_X HC5104CSB1TXCSB2RXFS_Z BX HFS_Z BX HF11223344556677889910101111121213131414IC5CD 4011BVCC1122334455667788IC6NE 555R9200C10103C9103VCCJ

17、S_XHTIME _X HFS_Z BX HFJSMCJSMCTIME _X H1122334455667788991010111112121313141415151616IC8MC14553VCCabfcgdeDPYa4b5d9c7dp6f2g1e10dpcom3com8SM G1SMGabfcgdeDPY 2dpabfcgdedpf11g12a13b14com15com26f27a28b29dp210c211g212d213e214dp115c116d117e118SM G2SM G-2DS3DS1DS2DS3DS1DS2FREQ UEN CYQ0Q1Q2Q3112233445566778

18、8991010111112121313141415151616IC9MMC4511VCCQ3Q0Q1Q2SM G_ASM G_BSM G_CSM G_DSM G_ESM G_FSM G_GSMG_ASMG_ASMG_ASMG_BSMG_BSMG_BSMG_CSMG_CSMG_CSMG_DSMG_DSMG_DSMG_ESMG_ESMG_ESMG_FSMG_FSMG_FSMG_GSMG_GSMG_GR133KR143KR153KR163KR173KR183KR193KVCCR203KVCCB1E2C3PN P1S8550PN P2S8550PN P3S8550C13102RE SE TLO CK11223344556677889910101111121213131414IC7CD 4069VCCTIME _X HC12104C11104R125.1KD21N 4148D11N 4148R115.1KRE SE TLO CK123R105K1234J2PO WER123J1PO WER123SW IT CHSW IT CHVCCR213KD3LE