超声波接近探测器

河南科技学院新科学院电子课程设计报告

题目：超声波接近探测器

专业班级：电气工程及其自动化xxx

姓名：

时间：2011.6.8 ～2011.6.17

指导教师：

完成日期：2011年06月17日

超声波接近探测器的设计任务书

1．设计目的与要求

设计一个超声波接近探测器控制电路，要认真并准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要求所设计的电路具有以下功能：

（1）采用超声波换能探头；

（2）当有物体接近时具备声光报警功能；

（3）能够显示被测物体的距离。

2．设计内容

（1）画出电路原理图，正确使用逻辑关系；

（2）确定元器件及元件参数；

（3）电路仿真；

（4）SCH文件生成与打印输出。

3．编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和电路图，有总结体会。

4．答辩在规定时间内，完成叙述并回答问题。

目录

1引言 (3)

2总体设计方案 (3)

2.1设计思路 (3)

2.2总体设计框图 (4)

3设计组成及原理分析 (4)

3.1超声波发射电路及原理 (4)

3.1.1超声波发射电路所用元器件 (4)

3.1.2超声波发射电路工作原理 (4)

3.2超声波接收电路工作原理 (5)

3.2.1超声波接收电路所用元器件 (6)

3.2.2超声波接收电路工作原理 (6)

3.3结果显示电路及原理 (7)

3.3.1结果显示电路所用元器件 (7)

3.3.2结果显示电路工作原理 (7)

3.4电路说明 (10)

4总结与体会 (11)

参考文献 (12)

附录一 (12)

附录二 (13)

超声波接近探测器

摘要：本文采用时间差测距发利用超声波换能探头发射和接受超声波，通过4553计数在结果显示电路显示出来被测物体的距离。

关键词：超声波，超声波换能探头，时间差测距法

1 引言

现代社会飞速发展，人类利用发达的科技仿照一些动物的器官功能制造出先进的工具和仪器，给人们的生产和生活带来了极大的便利。再者对于一个国家的来说超声波的应用也关系到国家的安全，比如雷达系统和反雷达系统等等。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检侧、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。

随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了——非接触测距。

超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。超声波的利用广泛在工业和生活中都有很多地方用到。

我根据自己所掌握的知识的程度以及参考一些资料对超声波接近探测系统作了简单研究。超声波距离测量电路可以分为三部分即：超声波发射电路、超声波接收电路、结果显示电路，超声波发射电路用到555定时器组成脉冲信号发生器和超声波载波信号发生器，结果显示电路用到CD4533，CD4511组成的模数转换和LED驱动电路。

设计报告分为五个部分，引言，设计方案，电路各个功能块的分析介绍，总结和体会，最后是整个设计的参考文献及附录。

2 总体设计方案

超声波接近探测器是利用超声波的速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物后反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。因此可利用雷达原理来解决超声波测距问题。

2.1 设计思路

超声波属于声波的一种类型，具有340m/s 的已知速度v ，只要测所需要的时间t 就可以知道准确的距离s 。时间的测量采用时间差法，测量超声波到障碍的时间要通过计时器实现。超声波的产生采用脉冲信号，脉冲信号可以用CD4553计数，发射头用T40-16接收头用R40-16采用压电式超声波换能探头。结果显示需要模数转换器和LED 显示驱动。 2.2 总体设计框图 总体设计框图如图1

图1

设计的框图的具体说明如下：

先由超声波脉冲信号产生电路产生超声波脉冲信号经过载波信号产生电路载波后经发射头驱动电路和发射头把超声波发射出去。经障碍物反弹后在接收头接收超声波。返回信号和发射信号在信号比较电路比较，再由测量电路测量后得到时间差信号。时间差信号在计数电路测量后送给显示电路显示结果。

3设计组成及原理分析

对总的设计方案作了简单分析后，我再对系统的四个部分作个详细介绍。此部有三部分组成，分别为超声波发射电路、超声波接收电路和结果显示电路。

3.1 超声波发射电路及原理

3.1.1 超声波发射电路所用元器件

555定时器IC2、电阻RA ，RB 、、电容C 、压电超声波换能探头

3.1.2 超声波发射电路工作原理

超声波脉冲信号

产生电路 载波信号发生电路 发射头驱动电路

发射头

接收头 信号比较电路 测量电路

计数电路

显示电路

由两块555集成电路组成。

IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。 图如2

图2

条件: RA =9.1M Ω、 RB=150K Ω、 C=0.01μF TL = 0.69 x RB x C

= 0.69 x 150 x 103x 0.01 x 10-6 = 1 msec TH = 0.69 x (RA + RB) x C

= 0.69 x 9250 x 103x 0.01 x 10-6 = 64 msec

IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms 频率40kHz ，占空比50％的脉冲，停止64ms 。计算公式如下： 条件: RA =1.5K Ω、 RB=15K Ω、 C=1000pF TL = 0.69 x RB x C

= 0.69 x 15 x 103x 1000 x 10-12 = 10μsec TH = 0.69 x (RA + RB) x C

= 0.69 x 16.5 x 103x 1000 x 10-12 = 11μsec IC3（CD4069）组成超声波发射头驱动电路。图如3

图3 3.2 超声波接收电路工作原理

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