超声波测距 实验报告

Q1
40106
图 6
7490 芯片的时钟接前一位的 Q3。最低位 7490 芯片的时钟接 17kHz TTL 方波（由信号 发生器提供）和闸门波形相与（或者相与非）的结果。闸门波形由下图所示的电路产生：
1 发(Q1)
D
SET
Q
Q3
CLR

Q
收
图 7
4、报警电路。
图 8
此部分的功能是通过存储器（用 74161 芯片）保存计数值，在报警时间（如图 8）内用 组合逻辑电路对计数值进行比较。若计数值小于 30（cm） （且小于存储器中的值） ，则利用
实验日期 2010-7-13~2010-7-15
实验室
222
座位号
23
清华大学电子工程系
电子技术课程设计 实验报告
超声波测距系统
班级 无 82 学号 2008011098 姓名 刘硕 交报告日期 2010-7-17
【实验任务】
1. 测量距离不小于 0.5m 米，数字显示，动态更新测量结果，更新时间约 1 秒。测量精 度优于 0.05m，显示精度 0.01m。 2.测量距离不小于 1.0m 米，数字显示，动态更新测量结果，更新时间约 1 秒。测量精 度优于 0.01m，显示精度 0.01m 3.测量距离不小于 2.0m 米，数字显示，动态更新测量结果，更新时间约 1 秒。测量精 度优于 0.01m，显示精度 0.01m 距离小于 0.3m 时，用蜂鸣片发出间歇式的“嘀一嘀”声响报 警。 4*.显示无跳动、闪烁，距离小于 0.3m 且距离变近时，用蜂鸣片发出间歇式的“嘀一嘀” 声响报警。
Ix<30cm Q3 BDC
图 10
实现距离小于 30cm 且距离变近报警的电路：
Ix<上次的 Ix<30cm Q3
BDC
图 11
【完成情况】
到第一天上午时完成了所有设计，第三天上午完成了实验的包括选作在内的所有内容。 下图为完成图（已拔下了连接数码管的导线） ：
图 12
【总结与收获】 1、在搭接超声波的驱动电路时，为了连线简洁，我一开始使用了 CMOS 推挽输出的方式， 采用了 74HC00 芯片构成 CMOS 反相器。如下图：
BDC（直流压电陶瓷蜂鸣片）进行报警。 计数值由 10bit 的数据构成，设它们为： x(cm) ~ M1M 0 N3 N 2 N1 N 0 P 3P 2 PP 1 0 则可利用 下图的电路判断在计数过程中 N2 是否达到过 1。
1 Q1
D
SET
Q
CLR
Q
Q4
N2
图 9
则： I x 30cm N1 N 0 Q4 易知，在 Q1 为低电平的时间内， Q4 0 ，从而 I x 30cm 0 存储器用三片 74161 芯片构成，LOAD 使能端均置为有效，数据输入端接对应的 7490 的输出，时钟接 Q1 。这样可在 Q1 的下降沿时进行存储数据。比较计数值和存储器中的数据 值采用三片级联的 7485 比较器芯片。 实现距离小于 30cm 报警的电路：
【致谢】 感谢张尊侨老师花费精力帮助我检查电路和对我的耐心指导！ 您在实验中给了我莫大的 帮助。 感谢助教的辛勤付出！
感谢曹军、林睿、张泽琦等同学！在与你们的讨论中我收获了许多。
【实验原理】
图 1
如上图，以 1Hz（占空比 50％）的时钟信号作为基准，在 1Hz 时钟的上升沿时产生一 个持续 1ms 的 40kHz 的发射波形， 该波形通过发射驱动电路的放大后加在超声波发生器上， 发出超声波。 该超声波达到目标并反射回来后被超声波接收器接收从而变为电信号， 经接收 放大电路的放大、滤波、整形后得到接收波形。 在发射波形的前沿到接收波形的前沿的区间内，用 17kHz 作为计数器的时钟进行计数 （ × ，则计数值反应了目标的距离（cm） 。在 1Hz 时钟的上升沿对 340m/s 17kHz1cm ） 计数器进行清零。 任务 3 中需要对计数值通过组合逻辑进行判断，若小于 30（cm） ，则蜂鸣片报警。 任务 4 中还需要存储计数值，判断计数值是否小于 30（cm）且小于上次的值。若是， 则用蜂鸣片进行报警。
（花费了约一天的时间） ，而数字电路部分则基本不需调试。
【思考题解】 1、实验中使用的超声波传感器有两个引脚，其中有一个引脚和传感器的外壳相连。这两个 引脚怎样接入电路系统才能减少外部干扰？ 答：应将传感器的外壳接地。这样外壳处为零电平，可有效地减小干扰。
2、为了获取接收到的超声波前沿时刻，一般在接收信号处理环节设置比较器，比较器的参 考电平可设置为地电平，也可设置为某个大于零的电平值，哪个更合理，为什么？ 答：设置为大于零的电平值更合理。这样可滤除电压低于此电平的噪声。若设置为地电平则 无法提取出有用的信号。 3、 有人把接收超声波传感器的输出端直接连至集成运放 LM324 的同相输入端 （该运放组成 同相比例放大电路） ，以放大接收信号，结果发现放大电路的输出进入运放的非线性区，请 分析其原因。 答：下图为题中所述的接法：
1Hz
1kH z
D
SET
Q Q
Q1
D
SET
Q Q2 Q
? ? ? ? ? ?
CLR
CLR
图 3
R
发射调制 40kHz方波 2.5V 347
10uF )))
40106 C
图 4
2、超声波接收放大电路。 此部分功能为将超声波接收器收到的电信号进行放大、滤波、除噪、整形，从而得到图 1 中的接收波形。 放大采用两个 μA741 芯片构成的反相比例放大器，级间采用交流耦合（1nF 电容和 20k 电阻构成高通网络） ，利用 347 构成的比较器来进行除噪。VREF 通过电位器分压而得，调节 VREF 以获得良好的除噪效果（滤除噪声的同时保留有用的信号） 。之后通过 40106 进行电平
图 14
可见，在线性区虚断的情况下，运放的正端没有直流通路，所以运放会进入非线性区。 解决方法：改成反相比例放大器，或在同相输入端对地加接电阻，如下图：
图 15
4、请用超声波传感器和其他元器件设计一个实现汽车倒车雷达功能的电路方案。 答：汽车挂入倒档时，启动本系统。利用本实验的系统，用多组传感器测定汽车后部不同方 位的距障碍物距离， 将所得值进行数模转换， 取转换所得电压的最小值 （代表最短的距离） ， 将此电压加至 555 多谐振荡器的阈值输入端，555 的输出加至直流蜂鸣片。这样当汽车靠近 障碍物时蜂鸣的周期会变短，汽车离障碍物越近，蜂鸣越急促，从而提醒驾驶员。
1 2
【实验设计】
超声波的发射和接收电路采用模拟电路， 其余部分为数字电路。 下面分别介绍设计的各 个部分。 1、超声波发射驱动电路。 此部分的功能为产生图 1 中的发射波形，将其放大后加至超声波发生器。
图 2
如上图，为产生发射波形，需产生发射调制信号，并将其与 40kHz 的方波相与。 发射调制信号的产生利用两个 D 触发器来实现 （密码锁实验中曾用到） 。 将 1Hz 的 TTL 方波（来自学习机）进行 1kHz 的抽样，在抽样点的“上升沿”处产生一个 1ms 的脉冲。 利用施密特触发器构成多谐振荡器，调节电阻（电位器）来获得 40kHz 方波。信号的 放大采用 347 芯片构成的电压比较器。 其输出端通过一个隔直电容接给超声波发射器。 这样 发射器能够获得约 24V 的电压，虽超过额定电压（20V） ，但由于发射时间很短（1ms/s） ， 故不会造成损坏。 电路如下：
匹配，再反相即可得到接收波形。 电路图如下：
200k )))
510k
10k
741
1n
20k
741
VREF
图 5
347
5.1k
40106
3、计数电路。 此部分包括级联的计数器和用于控制计数器的逻辑电路。 使用三片 7490 芯片进行十进制 BCD 码的计数，三片芯片分别对应厘米、分米、米的 数字。 在时钟的上升沿处，利用下面的电路产生一个窄脉冲为 7490 芯片清零。脉冲宽度约为 220ns（40106 延时的典型值） 。
图 13
但发现接收到的信号信噪比过小，只能测到至多 1m 内的距离。后来发现原因是虽然推 挽输出有较好的负载能力，但输出的电压不够，仅有 5V，不能很好地驱动超声波发射器。 解决的方法是可采用 4000 系列的芯片 （如 4011、 40106 等） ， 这些芯片可加到 18V 的电压， 从而很好地驱动发射器。也可以使用本设计中的模拟电路芯片构成的电压比较器。 2、通过张老师的指导，我了解到两种运算放大器芯片 347 和 μA741 存在者很多差异。 347：包含 4 个运放， 4 个运放间会有干扰，摆率高，上限截止频率高（单位增益带宽 约 4MHz） ，易产生自激。 μA741：仅含 1 个运放，摆率低，上限截止频率低（单位增益带宽<1MHz） ，不易自激。 所以本实验中反馈放大采用了 μA741 芯片，而电压比较器采用了 347 芯片。 3、 本实验比较巧妙的地方在于 D 触发器的使用。 我用它代替了传统的 555 芯片来产生脉冲， 这样更加方便，得到的波形也更好。另外，构成有限状态机时用 D 触发器非常方便，本实 验也利用了这一思想。 4、我感觉数字电路比模拟电路可靠得多，而且设计、调试的难度也要小得多。所以本实验 中， 我尽可能多地用数字电路代替了模拟电路， 实际上调试的时间也主要花在模拟电路部分