超声波的设计

《数字电子技术》课程设计

说明书

专业名称：电气工程及其自动化

班级：104班

学号：

姓名：

指导教师：

日期：2011年12月16日

数字电子技术课程设计评阅书

题目超声波的设计

学生姓名学号

指导教师评语及成绩

指导教师签名：

年月日答辩评语及成绩

答辩教师签名：

年月日

教研室意见

总成绩：

室主任签名：

年月日

摘要

本次数字实验设计了一种超声波测距数字电路实验装置,使用非单片机的方法设计了一个完整的超声波测距电路,包括超声波发射电路、接收整形电路、时钟电路、计数和显示电路。其中发射电路采用晶体振荡和超声波传感器2种方法,可以提高发射频率的稳定性及系统工作的准确性。

关键词：超声测距实验装置晶体振荡频率稳定性

目录

1 课题描述 (1)

2 设计原理 (2)

3 测试

3.1发射电路 (2)

3.2 接收电路 (4)

3.3 时钟电路 (4)

3.4计数与显示电路 (5)

4测试 (5)

5总结 (6)

参考文献 (6)

1 课题描述

近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。与同类测距方法相比，超声波方法在以下几方面具有明显的优势:

(1)相对于声波，超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减

较小、反射能力较强等优势;

(2)相对于光学方法，超声波的波速小，可以直接测量较近目标的距离，

纵向分辨率较高;对色彩、光照度、电磁场不敏感，适应范围广及环境恶劣的场所，特别是在海洋勘测方面具有独特的优点;

(3)超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于

小型化与集成化。

因此超声波测距作为非接触检测手段，越来越受到人们的重视。超声波测距有着广泛的应用范围，而且其典型电路已用于本科阶段电工电子课程的重点教学内容，因此这一题目非常适合作为本科生的一个综合性、针对性的电路实验，对提高学生分析问题和解决间题以及实际动手能力有着很大的作用。

2 设计原理

由于超声波在空气中所传播的速度是一定的，因此，利用反射式超声波测距时，只要测出超声波从发射到反射回的传播时间，便可计算出距离，即‘二1 2 0，是声音传播的速度，，是被测的时间。超声波测距的系统框图如图1所示。它由时钟电路、微分及整形电路、超声波发射电路、超声波接收放大电路、RS触发器、计数与显示电路组成。接通电源后，7415123发出一个400 lts的振荡信号，和40 kHz 的脉冲信号相与，使超声波发射器2.1 整流电路设计每次发出的超声波包含0.4 ms x 40 kHz二16个脉冲信号。同时，74LS123的13管脚发出的信号(与4管脚的振荡信号反相)使触发器置位，Q端输出高电平“1"，与时钟电路发出的脉冲相与，输人计数器的“count up”端，使计数器开始计数。当超声波被反射物发射回来时，接收器将其转换为电信号，并经过放大整形，与74LS123发出的盲区低电平信号相与后输人触发器的S端，使触发器复位，Q端变为低电平，计数器停止计数，显示器显示测量结果，完成一个测量周期。

( 图 1)

3设计过程

3.1发射电路

发射电路用来对超声波发射器进行功率驱动，将40 kHz的脉冲信号送人发射输人端，经过驱动放大达到足够功率之后，推动超声波传感器产生超声波。发射电路的关键部分在于40 kHz脉冲信号的准确和稳定性。

1.晶振电路

传统的频率发生电路通常仅由一块单片集成电路完成频率信号的产生以及分频工作，如CMOS集成芯片CD4046、时基集成电路555，或74L500,74LS04组成的多谐振荡器等。这几种方法都可以实现电路的功能，但是产生的发射频率的精度较低，并且易受电路元件参数和环境温度等的影响。为了获得稳定的振荡频率，可以使用石英晶体振荡器。石英晶体的振荡频率稳定性极高，用它构成的多谐振荡器产生的方波频率是非常稳定的。典型的石英晶体多谐振荡器是在RC祸合式多谐振荡器的基础上加入石英晶体构成的，与电容串联的石英晶体相当于选频电路，只有频率为.fo 的信号能够通过晶体，对其他频率的信号，石英晶体呈现出很高的阻抗，因此电路输出的方波频率将与石英晶体的固有颇率相同。40 kHz晶振电路图如图2所示。

2.超声波传感器

超声波传感器的内部有一个压电晶体，因此可以利用这个晶体作晶振电路。将超声波传感器接在二级三极管的振荡网络内，使之产生压电谐振，并使用三极管起振，在传感器和地之间接一个二极管作为电压保护。这种方法电路简单且频率稳定，电路图见图3

(图 3)

3.2接收电路

接收部分主要由超声波接收器和信号的放大、整形电路组成。由于声波的回波信号很小，尤其在测量距离较大的情况下，因此超声波传感器转换过来的电信号的幅度也较小，需要进行较大倍数的放大。这里使用三极管构成一个三级放大器，并在回路中适当使用电容和电感，使电容电感的振荡频率为40 kHz。反射回来的微弱信号经放大、隔直、滤波、整形，最后将输出信号送入Is{:触发器，具体电路见图

4

(图 4)

3.3时钟电路

设计时钟电路首先要根据测距原理确定脉冲信号的频率，以便译码计数电路将脉冲数转换为测量距离。为此，可以设定一个时钟周期所测的距离为lcm，即当超声波发射器开始发射脉冲到接收器接收到脉冲所经历的时间内，计数器所计脉冲数

就是发射器与反射器之间的距离，单位为厘米(cm).根据超声波测距原理公式，时钟电路发出的脉冲频率应为..f=341/0.01 =17.05KHZ

由于实验室可视为恒温环境，因此不必设计温度补偿电路。

3.4计数与显示电路

使用7415192作为计数器，其输出信号接入码器74LS47，最后使用数码管LG50118SR作为显示部分。计数、译码、显示的电路见图5.

( 图 5 )

4 测试

所有都做好之后对于电路板进行电气连接测试，保证无短路，无短路；进行电源部分焊接，验证+5V供电效果，掌握手持式万用表使用方法；进行CPU部分焊接，验证最小系统工作情况，包括以下步骤：测试数码管，测试按键等操作；进行超声波测距电路焊接，验证系统功能；通过改变声波与物体之间的距离，并以此判断显示屏的数字是否正确。通过改进发射频率的稳定性，该电路的量程大于5m，误差为1%，可以用于实际使用。另外，尽管发射频率的稳定性有了提高，电路仍有其他误差源，如温度变化带来的误差等，仍可以进一步改进。