超声波测距系统论文正文、结论、文献等

1、.1 绪论1.1 超声波技术的广泛应用超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家Paul Langevin用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更

2、大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。材料科学的发展，使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)1等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波

3、)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量2等。超声波方法在某些方面具有突出的优点：（1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；（2）对外界光线和电磁场不敏感

4、，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；（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，易于小型化和集成化。因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法高3。1.2 超声波测距的研究背景与意义随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法

5、也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和

6、广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距4种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点4：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。而我国，关于超声的大规模研究始于1956年。迄今，在超声的各个领域都开展了研究和应用，其中有少数项目已接近或达到了国际

7、水平。2 超声波测距技术综述2.1 超声波2.1.1 超声波的基本性质声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20kHz的声波称为超声波5。波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质6,7：（1）超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同；（2）超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强

8、的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；（3）能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的)，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；（4）功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通

9、常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。根据声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种8：（1）纵波。质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播；（2）横波。质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播；（3）表面波。质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播。振幅随深度增加而迅速衰减的波。从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波来实现。而实际测量用的超声波主要集中在频率为kHzkHz的范围内。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频段主要用于固体介质的

10、测量9,10。这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。而在固体介质中，测量的量程比较短(例如超声波探伤，测工件厚度等)，在液体和气体中，测量的量程比较长(例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等)，因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低。2.1.2 超声波的衰减超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。由于声波的衰减，使得A(x)随传播距离的变化而变化。声学理论证明，吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律11。A(x)=(2.1)设在距离超声接收器x处有被测物，则空气

11、中传播的超声波波动方程描述为：(2.2)其中A(x)为超声传感器接收的振幅；为超声传感器初始振幅；为衰减系数；x为超声波传播距离；为传播角频率；k=2/为波数；为声波波长；t为传播时间。衰减系数。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。在空气中，,，当振动的声波频率f=40kHz时，可得，它的物理意义在于：超声波在空气媒介中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在长度上，平面声波的振幅衰减为原来的1/e。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快，传播的距离也越短。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。权衡这两点，为达

12、到良好的测距效果，也是选取中心频率为40kHz的原因。采用合适的频率和波长，使用超声波传感器测距，频率取得太低，外界杂音干扰较多；频率取得太高，在传播过程中衰减较大。并且，超声波传感器在测量过程中容易产生盲区，接收端易接收到泄漏波。改善这一缺点，须减少发射波串的长度，增高发射波频率。但发射波串长度过短会使得发射换能器不能被激振或激振达不到最大值；发射波频率过高则衰减大，作用距离下降。有试验表明：使用40kHz的超声波，发射脉冲群含有8个16个脉冲，具有较好的传播性能12。2.2 超声波传感器超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并

13、转换成相应电信号。目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般为40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太高在传播过程中衰减较大。按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的换能器最为常用13。在原理上利用压电陶瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。其示意图如图2.1所示。图2.1 双压电晶片示意图这种传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷片加有大小和方向不断变化的交流电压时，据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小和方向成正比的。也

14、就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为f的电压脉冲，晶片就会产生同频率的机械振动。这种机械振动推动空气等媒质，便会发出超声波。反之，如在压电陶瓷晶片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号14,15。当在A，B间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一致，接收超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，

15、改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有谐振频率。超声波传感器结构图如图2.2所示。图2.2 超声波传感器结构图超声波传感器由压电陶瓷晶片、锥形谐振板、底座、端子、金属壳及金属网构成。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波16。超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2 m，工作频率在60kHz300kHz之间；中量程探测距离约为2ml0m，工作频率在40kHz60kHz之间；大量

16、程探测距离约为20m50m，工作频率处在16kHz30kHz之间。超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件，其性能优劣直接影响到测距准确度和可靠性。超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收分别是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘、防水性能，如用于发射的MA40A5S及用于接收的MA40A5R17。另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，如TR40，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距有效范围比较小，防尘、防水性能好。由于考滤到成本等因素，本系统所选用的超声波传感器为收发分体式传感器，如用于发射的TCT40T及用于接

17、收的TCT40R。，其中心频率为40kHz。TCT40-16R/T（直径16mm）的相关参数如下：（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，<1V(PF)：2000±30%TC压电陶瓷超声波传感器；T通用性；T发射/R接收。TCT40-16R/T系列指向性如图2.3所示。图2.3超声波传感器指向特性2.3 超声波脉冲测距原理声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声

18、波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，那么就可以计算出从声波到目标的距离。这就是本系统的测量原理。这里声波传播的介质为空气，采用不可见的超声波。距离公式：距离(s)=时间(t)×速度(v)。在设计时，实时得出时间和速度，再进行相乘运算，得出距离。利用超声波测时间方法有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围非常有限，声波幅值检测法易受反射波影响。本超声波测距仪采用渡越时间检测法18。超声波测量原理图如图2.4所示。图2.4 超声波测距原理图在超声波发射器两端输入10个40kHz脉冲串，脉冲电信号经过超

19、声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质传播到被测面，由被测面反射，由超声波接收器接收，在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号。传播的渡越时间即为超声波发射器发出的超声波时刻与经介质反射传播到接收器时刻差。如图2.4所示，测量发射点到被测物面到接收点距离2s，超声波的传播速度约为v=344m/s(20时)依据公式：得距离s。距离测量有一个最远测量距离限制，其原因就在于接收信号的幅值至少应该大于规定的阀值。这个阀值决定于对信噪比的要求。要求高些，可要求这一阀值大于噪声幅值的倍数高些，保证信噪比可以大于要求。但是无论要求怎样低，最小的接收信号幅值总得比噪声幅值大，否则就很难从噪声中分辨出所

20、需的信号来。所以，如果想增大可测的距离，总得从两个方面来解决，一方面就是尽量降低噪声，另一方面就是尽可能增大发射信号的幅值。超声波是一种具有一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同的媒质界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法：（1）相位检测法，将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器前方目标反射回来的信号，而相关函数峰值出现的时刻就是射程时间

21、。由此可见，相关估计法（也称为匹配滤波）既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如超声波信号经目标反射后所产生的回波信号的波形基本不发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么采用互相关函数法的时延估计精度将高于与其它时延估计法19。这种算法虽然精度高，但算法较复杂，运行起来速度慢，测距实时性不好；（2）声波幅值检测法，这种方法是根据超声波在空气中传播不断衰减的特性，检测回波信号的幅值，对延迟时间作出一个判断，但是声波幅值检测法易受反射波的影响，测距精度不高；（3）渡越时间检测法，渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为：检测从发射传

22、感器发射超声波，经气体介质传播到接收传感器的时间，这个时间就是渡越时间。本课题的超声波测距就是使用了这种方法。具体来讲，本系统测距原理类似于数字式雷达原理，测距开始发出一串脉冲串，开始计时，检测到回波信号后，关闭计时器，根据计数脉冲的重复周期T，得到渡越时间t=nT，所以，测量实际上变成读出距离计数器的数码值n。对目标距离R的测定转换为测量脉冲数n，从而把时间这个连续量变成了离散的脉冲数。所以，计数脉冲频率越高，测距精度越高20。2.4 本章小结本章介绍了超声波的特性，阐明了其物理性质对测距理论的适用性，对超声波在传播过程中的衰减与声波所在介质及频率的关系进行了分析。说明了超声波换能器的工作原

23、理，为达到最佳的工作效率，深入研究各种驱动条件的影响。并对比分析了几种测距方法，论证了本系统的实用性，分析指出需要把超声波往返时间的测量转化为对计数脉冲个数的测量，才能提高测量精度。在下面的第三章中，我们将进行具体的硬件设计。3 系统硬件设计按照系统所需功能，系统硬件结构可以划分为四个主要模块：超声波发射电路，超声波接收电路，控制处理电路和显示电路。整个系统结构框图如图3.1所示：超声波发射电路 控制电路 计数显示电路超声波接收电路图3.1超声波测距系统框图3.1 超声波发射电路设计发射电路的实现目的为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号。依据电路需要，发射电路应满足下列要求：（1）振荡电路振

24、荡频率可调；（2）驱动能力较高；（3）输出控制信号。3.1.1 振荡电路振荡电路的实现目的是为超声波传感器提供40kHz脉冲。当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电信号的电能能高效率的转化为机械声波的机械能。一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率是40kHz，实际有偏差，如40kHz±0.5kHz。故设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。荡电路有多种设计方案，方案选择如下：方案一：利用非门或与非门和电阻一起构成振荡电路最简单的振荡器。这种振荡器特点是：T=(l.42.3)RC电源波动将使频率不稳定，适合小于l00kHz

25、的低频振荡情况。此振荡是上电振荡，不方便控制。典型如图3.2所示。图3.2 简单振荡电路方案二：采用两三极管和电阻电容构成的振荡器如图3.3所示。图3.3 采用两三极管和电阻电容构成的振荡电路方案三：采用LC三点振荡电路如图3.4所示。图3.4 采用LC构成的振荡电路方案四：555芯片组成振荡电路。555芯片振荡电路21，外围元件少，电路简单，振荡频率可调，可产生方波和三角波，可调整波形占空比，在很多电路中都用到。如图3.5所示。GNDD控制信号图3.5555振荡电路为了方便快捷，本文中选方案一原理。采用一与非门与电阻电容构成振荡电路。此电路外围元件少，电路简单，并且及易控制。本文中采用的电路

26、振荡图，如图3.6所示。当R1远大于10R2时，振荡频率由下式f=1/(2.2R2C1)决定。应此，适当的调节R2、C1的值，就可以使电路的振荡频率为40kHz。本实验取C1为560pF，有公式计算可得R2应取为20k左右的阻值方可使频率接近40kHz。振荡信号经整形缓冲后由驱动电路驱动超声波发射器向外发射超声信号。超声波传感器的固有频率应与电路振荡频率相同时，超声波传感器达到谐振状态，换能器效率才能达到最高。图3.6 振荡电路3.1.2 驱动电路驱动电路的实现目的是为超声波发射器提供足够功率的脉冲信号。驱动电路22要求产生出具有一定功率，一定脉冲宽度和一定频率的超声电脉冲去激励发射器，由发射

27、器将电能转换为超声机械波机械能。驱动电路有多种方案：（1）用芯片驱动。（2）分立元件组成的驱动电路，其价格便宜，元件普通，调试方便。（3）用变压器提升电压，增加驱动能力，如图3.7所示。（4）门并接利用芯片的驱动能力。本系统设计所用的为第（4）种方案利用非门并接的驱动电路。如图3.8所示。vcc图3.7 变压器升压驱动图3.8 门电路驱动声波在空气中传播受空气介质影响，距离越大，衰减越大。为能接收远距离得回波，采取有效措施有：（1）增加驱动功率。（2）减少声波频率(频率越低，衰减越慢)。（3）设计合理的电路与负载功率匹配电路使其方便便简单，为进一步增加驱动能力，并列的非门换成3个。要求6个非门

28、来自一个芯片上的非门，以保证信号上升沿下降沿的同步，在非门输出的两端直接接一个电容防止直流直接加载超声波发射器上而导致损坏。本文总采用COMS芯片CD4049组成超声波驱动电路图，如图3.9所示。图3.9 COMS与CD4069芯片组成超声波驱动电路由第二章的讨论可以知道，测距系统所用的超声波仪在频率40kHz，幅值9V(可调)的电压驱动下，各种性能最佳，通过振荡电路送给驱动电路。用了一个大功率的CMOS管CD4049来驱动超声波传感器的发射器.它的工作原理是这样的：几个非门并接，即可提供较大的驱动能力。而且到发射器两端的是反向的，使得超声波的发射器得到足够的能量。整体发射电路如图3.10所示

29、，通用定时器555够成的多谐振荡器，振荡频率由下式f=1/0.693(R1+2R2)C1决定，输出波形的高电平时间t1=0.693R1C,低电平时间t2=0.693×2R2C。调节R1,R2的值，还可以调节输出脉冲的占空比。振荡频率有3脚输出经整形，缓冲后作为与非门的开关脉冲；振荡频率为40kHz，经调控后输出周期为25ms、脉冲宽度为1ms的脉冲串，由于高电平持续时间短，所以，可以大大的地降低了功耗。调控信号经缓冲驱动后，超声波发射器把电信号转化为超声波发射信号发射出去。vcc图3.10 超声波发射电路3.2 超声波接收电路设计根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求：（1）微弱

30、信号放大，放大倍数要求从mV放大到V。（2）波形整形。（3）实时选通不同方向的微弱信号。如图3.11所示，不同方向的超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，信号经过放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入R-S触发器并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换、信号的放大和整形以及产生信号等功能。（c）二值化后的信号（b）放大后的信号（a）接收到的信号图3.11 接收电路信号变化关系图3.2.1 放大电路设计放大电路目的是将微弱信号放大。微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、电压比较电路构成。根据所用的超声波

31、传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。超声波接收电路23将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号。接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、放大、检波、整形的电路。过去均采用分立元件构成，现在可以用集成电路来代替。采用超声波微弱信号放大芯片，如下图3.12所示。图3.12 运放构成接收电路图图3.12由集成运放Al、A2构成，R，C，为无源滤波网络，二极管、R9为检波网络。在回波信号的放大过程中，由于干扰信号的存在，为避免将干扰信号放大

32、而产生回波误识别，必须将干扰信号滤除，即回波信号放大过程中必须设计带通滤波器，对有效频带内的超声波信号进行选择放大。滤波器的功能是让一定范围内的频率信号通过，将此频率以外信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。由于超声波回波信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因此，本系统采用RC无源滤波方式，用于微弱回波信号的放大。由于集成运放技术已十分成熟，应用己经十分普及。所以本系统选用有SONY公司生产的CX20106A红外遥控接收芯片。3.2.2 CX20106A芯片CX20106A24作为超声波接收处理的典型电路。当CX20106A接收到

33、40kHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以作为控制计数信号输入，使用CX20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。图3.13为CX20106内部功能图。图3.14为其引脚图。DB放大DABAABLCCCC整形积分检波带通滤波限幅图3.13CX20106内部功能结构图图3.14CX20106引脚图l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与GND之间连接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R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大

34、。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7，C=1F。3脚：该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F。4脚：接地端。5脚：该脚与电源端vcc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，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚：该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路

35、的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为220k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8脚：电源正极，4.5V5V。图3.15CX20106超声波接收电路如图3.15所示，超声波接收传感器将收到的返回超声波转成微弱电信号，经CX20106A放大、整形后，输出负脉冲电压。CX20106A是红外线遥控接收器，其内部由前置放大、带通滤波、检波和波形整形等电路组成。通过外接电阻，将其内部带通滤波电路的中心频率f0设置为40kHz，就可接收和放大超声波电信号，并整形输出负脉冲电压。该器件的引脚1是超声波电信号输入端，引脚2与地之间连接RC串联网络，这是内部前置放

36、大电路负反馈网络的组成部分，改变电阻R8的数值则改变前置放大电路的增益。引脚3与地之间连接检波电容C9，适当改变C9就可改变超声波电信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。引脚5与电源间接一只电阻，用以设置内部带通滤波电路的中心频率f0。当R9=220k时，f0=40kHz。引脚6与地之间接一只积分电容C10标准值为330pF。如果该电容值取得太大，输出脉冲低电平持续时间就会增加，测量距离变短。引脚7是电路集电极开路输出端，R10是该引脚的上托电阻。当CX20106A无信号输入时，引脚7输出高电平。输入的超声波电信号经放大、整形后，引脚7输出负脉冲电压。采用CX20106A实现超声波接收放大和

37、整形，可避免采用多级集成运放组成高增益放大电路易产生自激等问题。在发射超声波期间，发射电路C点为高电平(tW1ms)，三极管VQ1导通，超声波电信号输入端短路，从而避免接收到超声波而发送传感器发出的直射波。所以该测距仪理论上最小测量距离(肓区)约为Smin=Ctw/20.17m。其中，C是超声波在空气中的传播速度。因为超声波在空气中传播能量会不断衰减，所以超声波测距存在最大有效测量距离。该最大有效测量距离与多种因素有关：超声波传感器性能，驱动超声波传感器脉冲电压幅值(功率)，被测物形状，被测物吸波特性，反射波与入射波夹角，超声波接收放大电路灵敏度等。3.3 控制电路设计控制电路主要由RS触发器

38、构成，发射超声波期间，C点为高电平，E点输入高电平。F10输出低电平、F12输出低电平，此时计数器对脉冲发生器的输入脉冲计数。当超声波发射完毕，C点为低电平，若超声波接收电路为收到信号，E点仍为高电平，F点输出保持不变。一旦接收到信号E点输出低电平，F点输出为高点平，计数器停止计数，锁存并显示数值。控制电路如图3.16所示。接收输入E输出F图3.16 控制电路3.4计数与显示电路设计3.4.1 40110芯片说明CD40110B是十进制可逆计数/锁存/译码/驱动器，具有加减计数、计数器状态锁存，七段显示译码输出等功能。每段输出电流最大为25mA，可直接驱动七段共阴极LED数码管。其中，引脚CP

39、U为加法计数时钟脉冲输入端：Qco是加法计数进位输出端；引脚TE为使能端，TE=0时，计数器工作，TE=1时，计数器禁止计数；LE为锁存控制端；LE=1时，显示数据保持不变，但内部计数器仍正常工作。40110有2个计数时钟输入端CPU和CPD分别用作加计数时钟输入和减计数时钟输入。由于电路内部有一个时钟信号预处理逻辑，因此当一个时钟输入端计数工作时，另一个时钟输入端可以是任意状态。40110的进位输出CO和借位输出BO一般为高电平，当计数器从09时，BO输出负脉冲；从90时CO输出负脉冲。在多片级联时，只需要将CO和BO分别接至下级40110的CPU和CPD端，就可组成多位计数器。40110的

40、引出端符号如下，其引脚图如图3.17所示。BO：借位输出端；CO：进位输出端；CPD：减计数器时钟输入端；CPU：加计数器时钟输入端；CR：清除端；：计数允许端；：锁存器预置端；VDD：正电源；VSS：地；YaYg：锁存译码输出端。YaVDDYgYbYfYcYdCRYeBOCPDCOVssCPU图3.1740110引脚图40110的逻辑功能图如图3.18所示。信号预处理CPUCPD约翰逊计数器控制逻辑COBOCR驱动器译码器锁存器YaYg图3.1840110逻辑功能示意图40110的功能表如3.1所示。表3.140110功能表输 入计数器功能显示CPUCPDCR X X X XX XXXLLX

41、XXHH L LXXHLLLLLHLLL 加 1 减 1 保持 清除 禁止 加 1 减 1随计数器显示随计数器显示 保 持随计数器显示 不 变 不 变不 变其工作条件：（1）电源电压范围3V18V；（2）输入电压范围0VVDD。工作温度范围：（1）M类-55125；（2）E类-4085。极限值：（1）电源电压 -0.5V18V；（2）输入电压-VDD±0.5V；（3）输入电流±10mA；（4）储存稳定-65150。静态性能表如表3.2所示。表3.240110 静态性能参数测试条件规范值IOH(mA)VO(V)VI(V)VDD (V)-55-4025 85125 单位VOL

42、输出低电平电压（最大）5/010/015/0 5.010.015.0 0.05VVOH 输出高电平电压（最小）5/010/015/05.010.015.0 4.95 9.95 14.95VVIL 输出低电平电压（最大）0.5/4.51.0/9.01.5/13.55.010.015.0 1.5 3.0 4.0VVIH 输出高电平电压（最小）4.5/0.59.0/1.013.5/1.55.010.015.0 3.5 7.0 11.0VIOL 输出低电平电流（最小）0.40.51.55/010/015/05.010.015.00.641.64.20.611.54.00.511.31.40.422.1

43、1.80.360.92.4mAII 输入电流15/015.0 ±0.1±1.0AIDD 电源电流（最大）5/010/015/05.010.015.05.010.020.05.010.020.0150.0300.0600.0AVOH 输出驱动电压（典型）01025 5.05.05.04.554.133.64V0102510.010.010.09.559.258.850102515.015.015.014.5514.2113.9040110的动态性能表如3.3所示。表3.340110 动态性能参数测试调件VDD (V)规范值单位最小最大tPLH tPHL传输延迟时间CR到CPC

44、L=50PfRL=200K5.010.015.0750285200 nsCR至第一个允许时钟脉冲延迟5.010.015.0 30012575 nsfmax最高时钟频率5.010.015.02.55.08.0MHz3.4.2 计数显示电路计数显示电路如图3.17所示。复位F图3.17 计数显示电路3个CD40110B组成3位十进制加法计数器。3位LED数码管显示测量距离。U7对应的LED数码管单位为m，U6对应的LED数码管单位为dm，U5对应的LED数码管单位为cm。74HC00的U4a和U4d组成计数电路脉冲发生器。其振荡频率f21/2.2C12×(R35+W)。当环境温度是25。

45、测量距离s为1m时，超声波往返时间t=2s/v5.8ms。这时计数器显示应为1.00，即1m。因此计数器在t5.8ms应计数到n=100，这时要求计数电路脉冲发生器脉冲周期t2=t/n，即要求计数电路脉冲发生器频率应为f2=1/t2=n/t17.2kHz。要使计数电路脉冲发生器的频率是17.2kHz，当C12为2200pF时，R35+W=1/(2.2C12f2)12k。由于不同环境温度下，超声波在空气中的传播速度也不同，所需的计数电路脉冲发生器的频率也就不一样。为提高在不同环境温度下测量的精度，用精密电位器W调节计数电路脉冲发生器的频率，使测距仪显示为1.00。整体控制计数电路如图3.18所示

46、。图3.18 控制计数显示整体电路U1f、U4b、U4c组成RS触发器。发射超声波时，C点为高电平，超声波接收放大电路的三极管VQI导通，超声波接收放大电路无信号输入，E点输出高电平，RS触发器的U4cF点输出为低电平，此时CD40110B处于十进制加法计数状态，对脉冲发生器的输入脉冲计数。当超声波发射完毕，C点为低电平。若超声波接收放大电路未接收到返回的超声波，E点仍为高电平，则RS触发器的U4cF点输出仍保持低电平，CD40110B继续计数。一旦超声波接收放大电路接收到返回的超声波，E点变为低电平，RS触发器的U4cF点输出变为高电平，CD40110B停止计数，并锁存显示计数数值；E点恢复

47、高电平，RS触发器的U4cF点输出仍保持高电平，CD40110B仍停止计数、锁存显示计数数值的状态。若被测物超出最大有效测量距离，或者没有被测物时，超声波接收放大电路一直未接收到返回的超声波，E点始终为高电平，计数器计数到999后，再加1计数时，U7产生进位输出，该进位输出使三位计数器复位，显示“0.00”，表示测距无效。同时，三极管VQ2瞬时饱和导通，E点电位瞬时变为低电平，F点电位变为高电平。C11和R12构成上电复位电路，接通电源或按复位键S1瞬间，三位计数器复位，显示“0.00”。同时，三极管VQ2瞬时饱和导通，E点电位瞬时变为低电平。F点电位为高电平。图3.19为超声波工作波形。UA

48、 S2键按下tUBtUC1mstUD40个矩形脉冲 tUEtUF开始计数 停止计数t图3.19 超声波工作波形图4 仿真及调试4.1 Proteus简介Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件，Proteus主要由ISIS和ARES两部分组成，ISIS的主要功能是原理图设计及与电路原理图的交互仿真，ARES主要用于印制电路板的设计。Proteus的ISIS是一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SP

49、ICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：（1）实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。（3）提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，

50、因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51uVision2等软件。（4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。特点：支持ARM7，PIC，AVR，HC11以及8051系列的微处理器CPU模型，更多模型正在开发中，交互外设模型有LCD显示、RS232终端、通用键盘、开关、按钮、LED等；强大的调试功能，如访问寄存器与内存，设置断点和单步运行模式；支持如IAR、Keil和Hitech等开发工具的源码C和汇编的调试；一键“make”特性：一个键完成编译与仿真操作；内置超过6000标准

51、SPICE模型，完全兼容制造商提供的SPICE模型；DLL界面为应用提供特定的模式；基于工业标准的SPICE3F5混合模型电路仿真器14种虚拟仪器：示波器、逻辑分析仪、信号发生器、规程分析仪等；高级仿真包含强大的基于图形的分析功能：模拟、数字和混合瞬时图形；频率；转换；噪声；失真；付立叶；交流、直流和音频曲线；模拟信号发生器包括直流、正旋、脉冲、分段线性、音频、指数、单频FM；数字信号发生器包括尖脉冲、脉冲、时钟和码流；集成PROTEUS PCB设计形成完整的电子设计系统。4.2 仿真调试结果本系统采用了40110、CX20106、4049、4069芯片及其其他电子器件，由于部分芯片在库里找不

52、到，所以只能部分仿真。图4.1为超声波发射电路仿真电路图，4.2为超声波发射电路的仿真波形。图4.1仿真电路图4.2 发射电路仿真波形如图所示，第一，二行为加在超声波探头上的波形，第三行为振荡器产生的40kHz的超声波波形。图4.3为实物的调试测试图。由于电阻和电容的误差很难使电路产生40kHz的超声波和17.2kHz的计数脉冲，致使接收电路有时无法接收到信号，造成了很大的误差。下图为测量40cm时所测的读数。图4.3 实物测试图结束语设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量距离。超声波测距的原理是利用超

53、声波的发射和接收，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括计数显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。显示电路采用简单实用的4位共阴LED数码管，并用计数/译码/驱动/锁存与一身的40110驱动。超声波发射电路主要由反相器4049和超声波发射换能器T构成，40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超