超声波测距系统

超声测距及报警系统的设计

[实验目的]

1、通过一些具有一定综合性和实际应用价值的电路设计，培养较大规模的数模混合电路的设计能力和设计技巧，培养严谨求实的科学作风和实际动手能力；

2、通过分组实验，培养团队协作的精神，调动每个成员的积极性和主动性。

[系统功能]

本系统利用超声波测量探头与障碍物之间的距离，量程>2.5m，测量误差<2cm，测量结果用三位字码管显示，最小分度为0.01m。

该系统还具有报警功能，当测得的距离小于某一报警界限时，系统发出报警声。报警门限距离可以任意设定，最小分度为0.1m。

该系统可以用作汽车倒车时的后视装置，还可以作防盗报警器。

[系统设计]

其中超声波发生器产生40kHz左右的脉冲，经调制后驱动超声波换能器，发出同频率的超声波。在每个调制脉冲到来时，换能器发出超声波，同时计数器开始计数。超声波被反射后再经换能器转换为电信号，经滤波、放大、检波，使计数器停止工作，表示收到回波。此时计数器显示的即为所测距离。调制脉冲的频率即为数据的更新频率，计数脉冲的频率取决于超声波在介质中的速度。当所测距离小于预先设定的报警界限时，报警器发出报警声。

[电路设计]

一、模拟电路部分

1、超声波发生器电路如图2所示。

图2 超声波发生器

根据超声波换能器的工作特性，该电路输出应为40±1kHz 的方波。取C=1nF ，R 1=100Ω，R 2=15kΩ>>R 1。测得f ≈39.6kHz ，D ≈50%，V pp ≈4.5V 。

2、脉冲调制电路

调制脉冲的频率为显示数据的更新频率，设计为2Hz 左右，即每隔0.5s 字码管的读数更新一次；令调制脉冲为高电平时换能器发出超声波。每次发出的超声波的数目不宜过少也不宜过多，过少则容易衰减，过多则发射波与反射波会产生叠加干扰。设计每次发出8~16个超声波，因此调制脉冲在一周期内高电平持续时间为0.2~0.4ms

电路同1，取C=1μF ，R 1=750kΩ，R 2=390Ω，通过 74LS04后反相输出。测得f ≈1.9Hz ，一周期内高电平持续时间约为0.28ms ，即每次发出11个超声波。

超声波振荡电路与脉冲调制电路经与门后输出调制后的超声脉冲，如图3所示。

40kHz

2Hz

调制后的脉冲

图3 脉冲波形

3、计数脉冲发生电路

常温下空气中的声速v ≈340m/s ，计数器每加1表示距离加1cm ，这段时间内声波走过2cm ，T=0.02/v ，故计数脉冲的频率f ≈50v ≈17kHz 。

电路同1，取C=1nF ，R 1=1kΩ，R 2=39kΩ。测得f ≈17.6kHz 。

系统的测量精度主要取决于计数脉冲的频率，故实验中用一电位器与R 1串联，对频率进行微调，以便校准。考虑到串入电位器后频率会降低，故上述设计的频率偏高（无电位器），以保证足够的调节范围。

T=ln2(R 1+2R 2)C D=R 2/(R 1+2R 2)

4、超声波放大滤波器

本电路由多级放大电路构成，每一级的反相输入端串入隔直电容，滤除低频分量，使放大电路呈现高通特性；同时运放自身的频响特性又使其表现为低通。二者结合构成带通放大滤波器。每级放大电路的增益不能太高，以保证引入负反馈后的上限截止频率大于40kHz 。

实际电路采用三级放大，每一级的电压增益为10，总共放大约1000倍，如图4所示。

图4 超声波放大滤波电路

对图4电路仿真得到的频响特性如图5所示。

Frequency

100Hz 1.0KHz

10KHz 100KHz

1.0MHz 10MHz

V(R2423:2)/V(v3:+)

0.5K

1.0K

图5 超声波放大滤波电路的频率响应

5、检波器：

检波电路由电压比较器LM393（OC ）构成，如图6所示。将放大滤波后的正弦波变成矩形波。反相输入端参考电压应小于有效信号的峰值，大于噪声信号的峰值。输出高电平约为5V ，可直接驱动数字电路。

图6 检波电路

R2

R3

1k

二、数字电路部分

1、计数及扫描显示电路

该电路的主要功能是在超声波换能器发出超声波的同时开始计数，并在收到反射波后停止计数并显示结果。电路图如图7所示（为便于仿真，数字部分的电路图全部使用MaxplusII原理图格式绘制）。

图7 计数及扫描显示电路

电路输入：reset为复位开关；clk为17kHz左右的计数脉冲，同时也可作为字码管显示的扫描脉冲；send接2Hz的调制脉冲；receive接检波器的输出，若收到反射波，该输入端应收到十几个40kHz的脉冲。send与receive端输入波形的相对关系如上图右下所示。

电路输出：OA~OG为7段译码输出，同时接3个字码管的相应输入端；q1~q3分别接各字码管的接地端，当输出低电平时字码管亮，高电平则灭。其中q1接最高位字码管，q3接最低位。一般数字电路输出低电平时的灌电流能力较强，经测试，上述方法可以驱动1个字码管。

各模块组成：

上图中“count3”为3个D触发器构成的环型计数器，系统启动时q1~q3置为“110”，即最低位的字码管亮。此后在扫描脉冲的作用下，q1~q3按“110”→“011”→“101”→“110”循环，每个状态下0对应的字码管亮。

“12D-Latch”为2个74LS373构成的锁存器，存放3组BCD码，G为高电平时输出跟随输入，低电平时锁存。

“Multiplexer”为2个74LS153构成的四4选1选择器，B、A为地址输入端（B为高位）。如BA=10时，1Y=1C2，2Y=2C2，3Y=3C2，4Y=4C2。

“3bit-counter10”为3个74LS90构成的三位10进制计数器（0~999），R0为清零端（1有效），3QA表示最高位BCD码的最低位，余类推。

“rs-ff”为2个或非门构成的RS触发器，输入高电平有效。