超声波测距系统

超声波测距系统实验报告

一、实验目的

1、通过实验，初步体验传感器的使用。

2、熟悉超声波传感器的使用方法。

3、通过自行分析、设计、安装、调试简单的电子电路来掌握电子电路设计的一般思想与方法。

二、实验任务

利用给定的超声波传感器，设计一个超声波测距系统：基本要求：

①测量距离不小于0.5米，数字显示，动态更新测量结果，更新时间约

0.5秒；

②测量精度优于0.05米,显示精度0.01米；

③距离小于0.2米时，用蜂鸣片发出间歇式的嘀一嘀声响报警。

说明：超声波传感器的说明请参见教材9.8.1。

提高要求：

测量距离大于1.5米。

三、实验原理

实验中将距离S转化为时间差△t，计算超声波接收模块接收到信号的时间与发射模块发射时间之间的时间差△t，根据S=，可计算得到距离，其中为超声波在空气中的传输速度，为简单起见，在设计时按照340m/s考虑。

闸门脉冲源产生宽度为T的信号，开启控制门，使得超声波振荡器输出40ＫＨＺ的脉冲信号经过放大器传送给超声波发射器，同时闸门脉冲源产生清零信号，使计数器从零开始计数。脉冲信号经过一定的时间反射回来，被超声波接受器接受，成为电信号。将回波放大滤波后，回波检测电路检测出接收的第一个脉冲的前沿，电路输出使计数器停止计数，则计数器的值即为待测的距离。

四、模块设计

模块一波形振荡器

需要输出40KHZ的方波，开始利用一片555构成多谐振荡器，这样整个电路需要3片555，

为简便起见，可以利用施密特触发器构成多谐振荡器（《数字电子技术基础》）。电路图如下：

根据公式：

取C=10nF，R=1K，测得周期为9.16uS，根据比例关系，若取R=4k,则频率为39KHZ。

模块二闸门脉冲源的产生

利用一片555构成多谐振荡器，为保证刷新时间为0.5秒，可以选择频率为2HZ的脉冲源

电路图如下：

模块三控制门

将2HZ信号与40KHZ信号相与非，控制信号为低电平是，输出40KHZ的方波，否则输出为0.

电路图如下：

模块四清零信号的产生

为使得每次计数时都可以从零开始计数，需要产生一个短暂的清零信号，为此，可以利用反相器的延时作用，并与原闸门脉冲源信号经过与非后产生很窄的清零脉冲。

电路图如下：

但实际搭接电路中发现反相器的延时作用很小，清零信号不起作用，因此同其他同学探讨一下，决定用一个微分电路，电路图如下：

模块五发射信号放大部分

在这一部分中，利用电压比较器将上一级所得到的5V的脉冲电压放大。

电路图如下：

模块六回波放大滤波

由于超声波接受传感器同超声波发射传感器一样都具有选频功能，故在这一模块中可以不用专门的选频电路。所以现在只需要放大电路部分。

由于回波电压的数量级为毫伏，并且在距离较远的情况下，回波更弱，故必须将信号放大。为将其放大到5V左右驱动电路，预将其放大2500倍。

电路图如下：

为了消除干扰信号，可以用电压比较器来对信号进行整合。

电路图如下：

其中基准电压根据实验结果进行调整，为-5V。

模块七回波前沿检测

利用D触发器来实现。

电路图如下：

D触发器的D端接高电平，始终为1。CLK端接经过滤波后的回波，CLR端接清零信号。Q’ 为输出信号。当清零信号到来时，Q’为1，控制阀门打开，开始计数，知道回波信号到来，CLK信号变为高电平，Q’为0，控制阀门关闭，计数停止。

模块八计数电路的设计

标准脉冲信号的产生，同波形振荡器的原理相同，根据公式

。设计要求精度为0.01米，令n=1，则=17kHZ。电路图如下：

其中参数待调。根据模块一中的比例关系，计算得R=6.42k，实际为9.4K。

标准信号脉冲与D触发器产生的控制脉冲想与，即可得到计数脉冲。

根据题目要求，要得到三位数码管显示，可以采用三片74LS90(2-5十进制计数器)，分别用来显示距离的个位、十分位、百分位。

电路图如下：

其中第一片74LS90的A端接计数脉冲，三片74LS90的R01与R02均接清零信号。

④报警系统

要求距离小于0.2米时，用蜂鸣片发出间歇式的嘀一嘀声响报警。设个位与十分位产生的信号分别为A7、A6、A5、A4、A3、A2、A1、A0，则报警信号S=A7’A6’A5’A4’A3’A2’A1’,由于实际距离限制，只需要S=

A5’A4’A3’A2’A1’即可，电路图如下：

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