综合电子课程设计指导书V

1、综合电子课程设计指导书第三版刘嘉新 编著机电工程学院教学实验中心目 录1 课程设计任务与要求21.1 设计项目21.2 性能指标22设计方案32.1 系统总体结构32.2 发射电路32.3 接收电路42.4 温度测量电路43 理论分析与计算53.1超声波传感器主要性能参数53.2 超声波传感器的等效电路53.3 超声波测距的盲区83.4 理论计算94电路设计114.1发射驱动电路114.2前置放大电路124.3选频电路134.4 专用接收电路144.5 蜂鸣器报警电路164.6 温度补偿模块165程序设计195.1 主程序设计195.2 子程序设计196 制作与调试206.1 超声波传感器的安

2、装206.2 电路调试206.3 程序调试216.4 系统测试21综合电子课程设计指导书1 课程设计任务与要求1.1 设计项目智能超声波测距仪1.2 性能指标（1）测量距离0.50m2.00m；（2）测量距离精度：误差±1cm；（3）实时显示测量的距离，显示单位为m，显示精度显示小数点后两位, 测量结果的显示格式为 X 点 XX 米；（4）具有安全距离指示功能：距离1.00m为“安全距离”，用绿色LED闪烁灯指示；（5）具有危险距离报警功能：距离1.00m为“危险距离”，用红色LED灯闪烁指示，距离0.50m时红色LED灯闪烁频率变高。（5）可以手动设置安全距离；（6）测距仪具有温度

3、补偿功能，并显示当前温度（该项内容选做）；（7）其他创新设计（蜂鸣器报警等）。2设计方案2.1 系统总体结构 超声波测距仪可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。 超声波测距仪利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而设计的。 其发射电路发出超声波，探测到附近存在的任何障碍物，反射超声波信号。超声波换能器接收到的微弱信号耦合到CD4069构成的前置放大电路放大，放大后的信号进入LM567选频网络选出回波信号并形成负脉冲触发MCU的中断。利用MCU的定时器可检测出超声波的传播

4、时间，采用时差法计算出距障碍物的距离。超声波测距仪系统由MCU、超声波发射电路、超生波接收电路、温度测量等电路组成，它是一体的超声波发射与接收装置，系统原理框图如图2-1所示。图2-1 超声波测距仪系统框图2.2 发射电路超声波传感器的发射驱动方式有自激型与他激型之分。自激型振荡电路就像石英振子，利用超声波传感器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振荡（皮尔斯振荡器）。他激型驱动电路可以使用多谐振荡器或MCU产生振荡信号，该驱动方式具有可以自由选择振荡频率的优点，这也带来频率不够稳定的缺点。 为了给超声波传感器提供足够的能量，既要保证接收信号幅度，又要缩短接收信号的长度，因此本设计发射驱动电路

5、选用由NE555多谐振荡器产生脉冲簇的驱动方式。由MCU控制NE555多谐振荡器产生频率为40KHz的10个脉冲的脉冲簇，并将信号幅度升至12V以驱动换能器。2.3 接收电路 超声波接收传感器利用正压电效应是将超声振动波转换成电信号，由于电信号非常弱，要通过前置放大器放大到一定幅度后，才能送给选频电路进行处理。根据超声波传感器的频率特性可知，超声波接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器匹配，才能有较高的接收灵敏度。本设计的前置放大器选用高输入阻抗的CD4046 CMOS非门构成高增益线性放大器，能够很好的和超声波接收传感器实现阻抗匹配，可获得较高的接收灵敏度。在测量的距离较远时，所能接收的信号十

6、分微弱，需要对其进行放大，在放大的过程中，干扰信号也同时进行了放大，用锁相环路LM567对40KHz的信号进行选频，不但可以实现对有用的信号进行识别，还能提高抗干扰能力。超声波接收电路的选频与脉冲形成电路，也可以采用SONY公司的专用集成前置放大器CX20106，作为设计方案二。2.4 温度测量电路超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，因而空气的密度又与温度有着密切的关系。对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。本设计选用DS18B20数字温度传感器测量环境温度，对超声波的传播速度进行修正，从而提高测量的精度。3 理论分析

7、与计算3.1超声波传感器主要性能参数压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。本设计选用压电振动式超生传感器TCT40-16R/T(直径16mm），实物如图3-1所示。其主要性能指标如下：（1）标称频率（KHz）：40KHz   （2）发射声压at10V（0dB=0.02mPa）：117dB  （3）接收灵敏度at40KHz (0dB=V/ubar)：-65dB（4）静电容量at1KHz<

8、1V (PF)：2000±30%（5）拖尾时间：1mS 图3-1 超声波传感器实物图 图3-2 超声波传感器结构图超声波传感器结构如图3-2所示，a为超声发射器 b为超声接收器。 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束 3.2 超声波传感器的等效电路图3-3是超声波传感器的等效电路。由图可以看出，它可以等效为一个rLC串联谐振电路。图3-3 TCT40-16R/T超声波传感器等效电路图3-4是它的电抗特性。图的左侧与右测都是电容性（可以看作一个电容器），而中间为电感（可以看作一个电感器）。在各种类型的传感器中，这种形状的特性曲线是超声波传感器

9、所特有的。熟悉石英振子和压电陶瓷振子之类高Q值谐振器件的读者，一眼就可以看出它的形状与石英振子和压电陶瓷振子的特性曲线十分相似。这是因为超声波传感器实质上就是用这类谐振器件制作而成的。超声波传感器有两个谐振频率，其中，频率较低的一个谐振频率叫做串联谐振频率fq，是r、L、C组成的串联电路的谐振频率。由图3-4可以看出，超声波传感器在串联谐振频率时的阻抗最小。超声波传感器的谐振频率中，频率较高的那一个叫做并联谐振频率，是组成的并联电路的谐振频率。同时也说明，在并联谐振频率超声波传感器的阻抗最大。图3-4 TCT40-16R/T超声波传感器阻抗特性fqfp阻抗发射用的超声波传感器在串联谐振频率具有

10、最高灵敏度接收用的超声波传感器在并联谐振频率具有最高灵敏度f图3-5 TCT40-16R/T超声波传感器阻抗特性与灵敏度曲线另外，超声波接收传感器的频率特性曲线与灵敏度和输出端的外接负载电阻RL有很大的关系，如果RL100K，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果RL10K时，频率特性曲线变得平滑，而且有较宽的带宽，同时灵敏度也随之降低，并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声波接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的灵敏度。37.625KHzfZfqRfPRfqT41.85KHzfpT 44.875KHz40.875KHzTCT40-16RTCT40-

11、16T图3-6 TCT40-16R/T的阻抗特性TCT40-16T型发射用超声波传感器其串联谐振频率为41.25kHz，并联谐振频率为44.875kHz.。TCT40-16T的标称频率为40kHz，该值指的是串联谐振频率，因为发射用的超声波传感器在串联谐振频率下具有最大的灵敏度。TCT40-16R型接收用超声波传感器其串联谐振频率为37.625kHz，并联谐振频率为40.875kHz.。TCT40-16R的标称频率为40kHz，该值指的是上述的并联谐振频率，因为接收用的超声波传感器在并联谐振频率下具有最大的灵敏度。3.3 超声波测距的盲区超声波从换能器发射后，在空间传播是有指向性的，其指向性最

12、强的是主瓣，其余的为旁瓣，如图3-7所示。通常情况下，距参照物越远，声级越小，但是超过某一点之后又开始增加。这一区域被称作旁瓣。如果在旁瓣外反射周围物体，可能会影响超声波传感器的检出特征。图3-7 超声波指向性图超声波的这种指向性的存在，可以达到定向集中能量和减小干扰的目的。然而，旁瓣的出现还是造成一定的干扰。如图3-8所示，从障碍物返回的超声波主瓣被接收器接收，同时，直接从超声波探头发出的旁瓣也可能被接收，造成旁瓣干扰。图3-8 旁瓣干扰成因图通常，在用时差法测距的过程中，压电换能器中的振子产生振动而发出超声波，驱动脉冲停止后，压电换能器将由于惯性继续振动而产生余振，反映到接收端的信号上，产

13、生“拖尾”，如图3-9所示。图3-9 拖尾波形图因此，在软件处理上需要加入一段延时，略过这段时间。常将“拖尾”时间设为1mS，并考虑10个脉冲串的时间0.25 mS，即盲区时间共为1.25 mS。设标准状态下，声速为331.6m/S，则不可测距离为此即为测距盲区。3.4 理论计算如图3-10所示为反射时间法，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，25时C为347 m/s。通过测量回波时间t（t=t1+t2），利用公式3-1可以计算出路程。 （3-1）为使不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设

14、置“时间门”来加以克服。 被测物探头T探头RS图3-10 超声波测距原理图超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。超声波在空气中的传播速度，0时C为331.6 m/s，其与环境温度T(单位：)的关系如下近似公式： C 331 + 0.607×T （3-2） 用这个实时速度来计算所测量的实际距离，这样能使温度对超声波测距精度的影响降到最低。 由此可见，声速与温度有密切关系。在应用中，如果温度变化不大，并且无特殊精度要求，可认为声速是基本不变的

15、，否则，必须进行温度补偿。温度补偿方法为每次先按照式(3-2)计算当时声速C，然后再按照式(3-1)计算距离。另外，从图1还可以看出，由于超声波利用接收反射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射与反射之间的夹角，其大小为2。当a很小时，可直接按式(1)进行计算得到距离;当较大时，则必须进行距离修正，修正公式如式(3-3)： （3-3）4电路设计4.1发射驱动电路基于时基电路的超声波发射模块电路如图4-1所示。MCU的通用I/O口输出一个250S的负脉冲，使555定时器置位，同时开启定时器开始计时，此时，555定时器产生40 kHz的振荡信号，由超声波传感器发射探头将电信号转换为脉冲数为10

16、的脉冲串发射出去。其中，555定时器频率振荡周期为要得到频率为40 kHz的振荡信号，则R1=R2=18 k，C1=1000 pF。实际电路中二极管存在等效导通电阻，故R的实际取值要比理论计算值小。实际仿真结果R1=R2=10K时，振荡周期T24.5us，需要通过调整RP1电位器，将振荡频率调整到40 kHz。图4-1 基于时基电路的超声波发射模块电路4.2前置放大电路用CMOS非门构成的前置放大器具有低功耗、电源电压范围宽、抗干扰能力强、输入阻抗高等一系列独特的优点。放大器中门电路的电压转移特性曲线（输入与输出电压之间的关系曲线）如图4-2所示。0QCABVOVI图4-2 电压转移特性曲线图

17、4-2中两虚线所夹的区域称为非门的状态转换区，电压转移特性曲线的中点所对应的输入特性称为转换电压，用表示，为电源电压的一半，即=。在转换区中，曲线比较陡直，只要输入电压有很小的变化，就可以引起输出电压很大的变化，所以非门电路在状态转换区具有电压放大作用，故状态转换区又称为线性放大区。线性放大区所对应的输入电压的范围， 即输入电压的最大动态范围，转移特性曲线的斜率即是非门电路的开环电压增益A，CMOS单非门的开环电压增益A一般在2030倍之间,而超声波传感器接收前置放大器要求电压增益在1000倍以上，必须采用多级门电路构成高增益放器，如图4-3所示给出了由三级非门构成的放大器，电压增益与反相运算

18、放大器增益计算类似：图4-3 前置放大电路4.3选频电路LM567 为通用音频锁相环电路，工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。管脚功能描述：、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。 脚是输入端，要求输入信号25mV。 、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f0，f0 1/1.1RC。脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。当LM567的输入信号的频率落在其内部压

19、控振荡器中心频率f0附近时，逻辑输出端8脚将由原来的高电平变为低电平，输出一个负脉冲。在超声波测距系统中，正是利用这一功能，不但可以实现对40KHz的回波信号进行选频，而且还有脉冲形成功能，用8脚输出的负脉冲去触发MCU的中断测得超声波传播时间。图4-4 LM567选频电路4.4 专用接收电路超声波检测接收电路也可以采用了SONY公司的专用集成前置放大器CX20106如下图所示。这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106接收超声波（无信号

20、时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能，可以保证在超声波传感器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益，在近距离输入信号强时放大器不会过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节。其主要指标：单电源5V供电，电压增益7779dB , 输入阻抗27 K , 滤波器中心频率30 K60 KHz。功能可描述为：在接收到与滤波器中心频率相符的信号时，其输出脚7脚输出低电平。芯片中的带通滤波器、积分器等使得它抗干扰能力很强。 图4-4 CX20106内部框图

21、图4-5 CX20106电路图脚为输入端，CX20106的总放大增益约为80dB，以确保其脚输出的控制脉冲序列信号幅度在3.55V 范内。脚外接的R1、C1为总增益大小调节，RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，C1取值过大时将造成频率响应变差，一般在实际使用中不必改动。推荐参数通常取R1=4.7K，C1=1uF。脚外接的C2为检波电容， CX20106 采用峰值检波方式，当C2容量较大时将变成平均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，C

22、2较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误操作，推荐参数为C2=3.3uF。脚外接的R2 为带通滤波器中心频率f0的外部电阻，改变R2阻值，可改变载波信号的接受频率，当f0偏离载波频率时，放大增益会显著下降。该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。脚外接的C3为积分电容，一般取330pF，取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离变短。脚为输出端，CX2010

23、6 处理后的脉冲信号由脚输出给单片机处理从而获得显示输出。 4.5 蜂鸣器报警电路蜂鸣器在测距仪与障碍物之间的距离小于设定值时发出报警指示音。由于单片机的I/O口驱动能力有限，选用PNP型晶体管8550组成晶体管驱动电路来驱动压电式蜂鸣器，如图4-6所示。图4-6 蜂鸣器报警电路4.6 温度补偿模块 本设计选用温度补偿模块采用抗干扰性强、外部电路简单、精确度高的DS18B20温度传感器实时测量温度。美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在型如一只三极管的集

24、成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可以轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为55+125，在10+85范围内，精度为±0.5。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测量类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且新一代产品更便宜、体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨

25、率，精度为±0.5。可以选用更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电依然保存。DS18B20的主要特性：（1）适用电压范围更宽：3.0V5.5V，在寄生电源方式下可由数据线恭电。（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与BS18B20的双向通讯。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的的三线上，实现多点组网测温。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）温度范围55+125，在-10+

26、85时精度为0.5。（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，可实现高精度测温。（7）在9位分辨率时最多在93.75ms把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度转换为数字，速度更快。（8）测量结果直接输出数字温度信号以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC检验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负压特性：电源极性接反时芯片不回因发热而烧毁，但不能正常工作。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图： 图4-

27、7 DS18B20外形及引角排列图DS18B20引角定义：（1）DQ为数字信号输入/输出端；（2）GND为电源地；（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图4-8 DS18B20内部结构图DS18B20温度传感器接口电路如图4-9所示。图4-9 DS18B20接口电路5程序设计5.1 主程序设计超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断服务程序、键盘和显示子程序组成。（1）主程序设计要求主程序首先对系统各模块子程序进行初始化。初始化MCU定时器时，使工作在定时器模式，接着启动温度传感器DS18B20，并且读取温度值，并将温度数值显示出来。当没有打

28、开测距功能时不断地进行循环该程序流程。进入测距功能时，调用发射子程序。主程序利用外部中断检测回波信号，为克服一体式超声波测距仪的盲区，单片机延时1mS开接收中断。响应中断服务子程序后，根据温度补偿后的超声波速度，计算距离并显示。5.2 子程序设计（1）超声波发生子程序设计要求超声波测距仪的驱动信号采用他激方式，即由MCU给发射电路提供频率为40KHz的10个脉冲群。在启动发射电路的同时，启动定时器，实现起始时刻的同步。（2）超声波接收中断服务程序设计要求关闭定时器，得到回波时间，返回主程序计算测量距离并显示。6 制作与调试6.1 超声波传感器的安装超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用 16的超声波换能器TCT40-16R/T，中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距 4080mm（典型值为60mm），其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。图5-1 超声波传感器的安装示意图6.2 电路调试（1）发射电路的调试将NE555的置位端接高电平，用示波器CH1观察多谐振荡器NE555的输出端波形，调节定时电阻RP1使输出频率为40KHz的