模拟数字电路课程设计报告书-超声波测距电路的设计..

电子技术基础

课程设计

题目名称：超声波测距仪

指导教师：杨子康

学生班级：2013级电气7班

学号：20134092

学生姓名：王航

评语：

成绩：

重庆大学电气工程学院

2015年7月6日

摘要

在现代生活中，随着经济的快速发展，人们的需求也变得越来越多。而超声波测距仪的出现给广大的群众人民带来了很大的便利。

超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，所以经常用超声波来测量距离，如测距仪和物体测量仪，超声波测距仪装置上有设置瞄点装置，只要把仪器对准要测量的目标，就会出现一点在测距仪的显示屏幕上，主要是通过声速来测量的，肉眼看不见射出的线。

超声波测距仪用途有许许多多。比如测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，在平时生活中用到的如超声波倒车提示、盲人拐杖等等。超声波测距仪它存在是有现实意义的，这不仅仅只是一个研究，更多的是能够帮助人们更加便利的生活。

目录

一、设计目的

二、设计要求

三、超声波电路工作原理

四、各部分参数计算及其波形

4.1 超声波发射电路

4.1.1 超声波脉冲信号发生器

4.1.2 超声波载波信号发生器

4.1.3 超声波驱动电路

4.2 超声波接收电路

4.2.1 超声波信号检测与放大

4.2.2 信号比较电路

4.2.3 时间测量电路

4.2.4 计数电路脉冲发生器

4.2.5 计数显示电路

4.3 电源电路

五、输出波形

六、元器件说明及参数选择与计算

6.1NJM4580双路运算放大器

6.2二极管1N4148

七、心得体会

一、设计目的

1、掌握便携式超声波传感器、波形发生电路的性能与应用；

2、掌握常用运算放大电路、数字集成电路、555电路的功能和使用。

二、设计要求

1、应用于车辆倒车、盲人手杖等测距，携带方便。

2、三位LED数字动态显示车与障碍物之间的距离，距离测量范围为0.3-5m，测量精度为1cm。

发挥部分

具有蜂鸣提示音，小于1m时具有报警提示功能。

三、超声波电路工作原理

1.超声波测距原理

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就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为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=340t/2，就是所谓的时间差测距法。

四、各部分参数计算及其波形

4.1超声波发射电路

超声波测距电路采用555定时器U1成时基电路进行超声波发射工作。U2为超声波载波信号发生器，IC1构成超声波发射头驱动电路。因为超声波传感器的中心频率为40kHz，因此驱动发射头的信号也必须为40KHz，而且有一定的功率要求。理想情况下，驱动信号应该为占空比为1的方波，或者是正弦波形。在发射探头允许的电压范围内，驱动信号的幅值应尽量取大，以获得较大的发射功率，从而使系统具有大的测量范围。由555时基电路及外围元件构成40kHz多谐振荡电路输出信号可以满足所有这些要求。调节时基电路中相关电阻的阻值，可以改变振荡频率，最终可以达到40kHz。所设计的电路理想工作电压为9V，工作电流可以达到40-50mA，采用独立的9V电源对555供电，可以增强超声波发射的能量和测量精度。

4.1.1 超声波脉冲信号发生器

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。

2脚（TRI），6脚(THR)是555输入端，3脚(OUT)为输出端，7脚(DIS)为放电端，8脚(VCC)接9V电源，电源通过R1,R2对C1进行充电。

条件: R1=10.57MΩ、 R2=150KΩ、 C1=0.01μF

假设超声波测距电路能测得最大距离为10米，则波来回时间t=2s/v=20/340=58.8ms

故IC1发射出的超声波的周期应大于58.8ms.

放电时间常数：

TL =0.69 x R2 x C1

=1 ms

充电时间常数为：

TH = 0.69 x (R1 + R2) x C1

= 70 ms

周期T=70ms>58.8ms

振荡频率f=1/(TH+TL)=14.29HZ

4.1.2 超声波载波信号发生器

U2组成超声波载波信号发生器，由U1输出的脉冲信号控制。通过VR1调节载波信号发生器的频率与占空比，C3为充放电电容。

要产生40KHZ的超声波振荡频率，周期T=0.025ms，当R4=1.5K,R3=8.2K时，确

定电位器VR1的取值。

条件: R3 =2KΩ、R4=16KΩ、C3=1000pF

条件: R3=2KΩ、R4=16KΩ、C=1000pF

充电时间常数：

TH1=0.69C3(R4+R3)

放电时间常数：

TL1=0.69C3R4

由0.025ms≈TH1+TL1得出R3=2KΩ、 R4=16KΩ足以产生40KHZ振荡频率的超声波。

4.1.3 超声波驱动电路

此电路对超声波起驱动作用，以致能够使超声波发射头能够发射出超声波，其中，C2起滤波作用。

C2

0.

1u

1

2IC1A 40693

4

IC1B 4069

13

12IC1F 4069

9

8

IC1D 4069

11

10

IC1E 4069

P1

1

2

U3

TX

40kHZ

仿真图有如下：

4.2 超声波接收电路

超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。