超声波测距仪--发射部分

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实训6：超声波发射电路的制作与调试
直流稳压电源Leabharlann Baidu
示波器
+9V GND
发射头
驱动 电路
探头 T R 接收头
振荡 电路
超声波发射电路
实训6：超声波发射电路的制作与调试
• 二、测试本实训系统的幅频特性： • 步骤1：通过调节VR1，使得555的3脚输出矩形波信号频 率在38K～42K范围内变化，从而实现产生不同频率信号 （不同占空比）来驱动发射头。用示波器观察超声波接 收头的输出信号波形，记下 的值。请按照如下表 格设置的频率数据要求进行测试。 • 注意：要求测试每对数据时，一定要首先用示波器准确 调试输出的准确的频率信号后，再驱动发射头，测试接 收头产生的同频信号电压 。 • 实训作业1：分析记录数据，绘制输出V~f 关系曲线，得 出超声波传感器幅频特性结论。
基于555的超声波发射电路
VCC
VCC
9V
VCC 8
C3 100nF
0
Control
R5 10M
7
8 VCC 4 7 RST DIS THR TRI CON GND
6
U1 U3A
OUT 3
5
R2 1.0k
4R1
8 VCC 4 7 RST DIS THR TRI CON GND
1
U3C U2 U3B
超声波测距仪的总体设计方案
发射电路
控制 显示 处理 振荡电路 驱动电路
超声波发射头
单元
波形变换
放大电路
超声波接收头
电源部分
接收电路
控制部分
电源部分
超声波测距仪的总体设计方案
• 本系统主要由超声波发射电路、接收电路、控制部分及 电源四部分组成。 • 控制信号由555定时器构成的低频振荡器来实现。 • 发射电路由555定时器构成的高频振荡器产生40kHz方波， 经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，同时开 始计时。 接收端将收到的微弱回波信号检出，送信号 放大电路放大，经输出比较产生脉冲输出，系统收到中 断信号后停止计时，计算出时间并换算为距离值显示， 本系统可以满足多领域的应用。 • 本系统中关键电路是超声波发射电路和超声波接收电路。 后续课程针对这两部分分别进行重点论述。
555多谐振荡电路的脉冲宽度 TL由电容C 的放电时间来决定： TL≈0.7R2C TH由电容C 的充电时间来决定：
TH≈0.7（R1+R2）C
输出振荡信号的周期为：
T = TL + TH
频率为： f 1/ T 1.443/(R1 2R2 )C1
输出脉冲占空比为： 占空比：正脉冲的持 续时间与脉冲总周期 的比值。
C4 10nF
0
C5 100nF
C1 1.0nF
0
C2 100nF
4069BCL_10V
控制电路部分
振荡电路部分
驱动电路部分
超声波发射电路——基于555的振荡器
• 本电路中采用555定时器构成振荡电路，2脚（6脚） 及地之间的电容不断的进行充、放电，导致555时基 电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端3脚 交替输出高电平与低电平，输出波形为近似矩形波， 此电路也称为自激多谐振荡器。
超声波发射电路基本原理
振荡电路 驱动电路 超声波发射头
• 超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和 超声波发射头组成。振荡电路产生超声波传感 器工作需要的40kHz频率信号。由于超声波振 子也有约2000PF的电容，有充放电电流流通， 因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动 超声波振子发送超声波。使用方波进行驱动时， 由于振子的谐振作用，也变为正弦波进行发送。 • 本系统的振荡电路利用555产生占空比可调的 40kHz方波信号。
555多谐振荡电路工作原理
555多谐振荡器的基本电路如图所示。电路初次通电时，由于电容C两端 电压不能突变，555的2脚为低电平，555时基电路置位，即3脚输出高电平， 内部放电晶体管截止，7脚被悬空，此时正电源VDD通过电阻R1、R2向电容C充 电，使C两端电压不断升高，约经时间tH ，C两端电压即阈值端（6脚）电平 升至2VDD/3时，555时基电路翻转复位，3脚输出低电平，同时内部放电晶体 管导通，7脚也为低电平，此时电容C储存电荷将通过R2向7脚放电，使C两端 电压即555的触发端2脚电平不断下降，约经tL时间，电压降至VDD/3时，555 时基电路又翻转置位，3脚又输出高电平，7脚再次被悬空，正电源又通过R1, R2向C充电，如此周而复始，电容C不断处于充电与放电状态，电路引起振荡， 3脚将交替输出高电平和低电平。
OUT 3
15 13 14
4069BCL_10V U3D 4069BCL_10V 4069BCL_10V U3E
4069BCL_10V 10K _LIN 90% Key = A
3
R6 150k
11
6 2 5
6
2 2
5
1
LMC555CH
R3 10k
1
LMC555CH 4069BCL_10V U3F
12
实训6：超声波发射电路的制作与调试
表1：测试本实训系统的幅频特性
Control
IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲 信号控制，输出约1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲， 停止约70ms。
555构成的低频振荡器输出波形（红线） 电容Ｃ1两端的电压波形（黄线）
控制信号波形（红线） 电容Ｃ1两端的电压波形（黄线）
驱动信号波形
驱动信号波形
实训6：超声波发射电路的制作与调试 • • • • • 实训目的： 理解555振荡电路的工作原理和调试技巧。 理解CD4069驱动电路的工作原理。 实训条件： 超声波发射头及配套元件一套、超声波接 收头，直流稳压电源一台，示波器一台。
实训6：超声波发射电路的制作与调试
• • • • 实训方法： 一、设置实验环境： 步骤1：要求学生按照发射电路的电路图将配套元件焊接到板上，并连 好线。 步骤2：加9v电压，用示波器观察第一个555振荡器（低频）的输出电 压信号和电容电压信号，进一步认识555振荡器的工作原理，同时测量 输出信号的频率以及高低电平的脉宽，计算占空比；对于第二个555振 荡器，调节VR1得到频率38K～42K的矩形波信号（此时不使用低频振荡 器的控制信号，而直接将第二个555的4脚接高电平）。 步骤3：连接超声波传感器发射头到发射电路，将示波器的接地端子和 信号端子分别连接超声波传感器接收头的两个输出引脚。 步骤4：固定发射头与接收头的间距为10cm，并将发射头对准接收头， 准备测试接收头接收超声波后产生的同频信号电压。
超声波测距仪的设计与调试 ——发射部分
梁长垠 教授 Professor Liang
超声波测距基本原理
由于超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因 而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、物位测量仪等。 利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做 到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求， 因此得到了广泛的应用。 在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时 开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即 返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。超 声波在空气中传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t， 就可以计算出发射点距障碍物的距离s。 即：s=340· t/2，这就是所谓的时间差测距法。
超声波发射电路——基于CD4069的驱动器
• 电路采用CMOS六反相器CD4069构成驱动电路， 为了增大驱动电流，可以采用CD4069中两个 甚至三个方向器并联的方式实现。
CD4069
为什么两个反相器并联就可以提高驱动能力？ 答案：此电路结构称为桥式驱动方式，由于超声波传感 器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流， 而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个 并联，输出电流加倍，驱动能力当然提高啦！
D ( R1 R2 ) /( R1 2R2 )
• 若调整可调电阻VR1，可改变输出矩形 波的频率和占空比。 • 当调整VR1使得输出为40kHz时，由于 （VR1+R4）>>R3，输出波形占空比约为 50%，为近似理想对称方波。 • 555的强制复位端4脚由另一个555低频 振荡器的输出取反后控制。