超声波测距仪设计原理及实验分析

1、撰写人:李硕1 引言我们生活的世界充满了各种可听的声信号。在科学史上,人们很久以前对声音信号就有了认识,声学是最早发展的学科之一。我国两千多年前的先秦时期,在乐律和乐器的研究方面,对声学的发展做出了重要的贡献。在国外,19世纪,声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。然而由于超声是人耳听不到的信号,直到18世纪,人们在研究蝙蝠、海豚等动物时,才推测自然界中存在超声。现代声学已经涵盖了从10-4Hz1014Hz的频率范围,相当于从大约3小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动,即跨越了1018量级的宽广频段。频率高于人类听觉上限频率(约20000Hz的声波,称为超声波,或

2、称超声。现代科技的迅速发展对检测技术提出了更高的要求,各种计量检测技术都向非接触、高灵敏度、智能化、微型化方向发展。由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。不仅在工业中,在日常生活中超声测距也有着广泛的应用。本设计就是一种利用超声波作为媒介的测距装置,它能够通过单片机的控制来进行测距并可以数码显示。其优点是使用方便,精度高,可编程控制,可用于危险场地等的非接触式测距。2超声技术的发展及应用2.1 超声技术的发展利用超声波测量己知基准位置和目标物体

3、表面之间距离的方法,称为超声波测距法。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,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、过程检侧、机器人检测和定位、

4、以及流体液面高度测量等。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。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。材料科学的发展,使得应用最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等。近年来,为了物质结构等基础研究的需要,超声波的产生和接收还在向更高频率(10¹²赫兹以上发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜,就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声;利用凹型的微波谐振腔,可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外,用热脉

5、冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法,产生或接收更高频率的超声。2.2 超声波的应用超声学是一门应用性和边缘性很强的学科,可以超声为工具,来检验、测量或控制各种非声学量及其变化的。从它一百多年来的发展可以看出,超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容,而使自己更加丰富。近些年来,随着超声技术研究的不断深入,再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点,超声的应用变得越来越普及。目前已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、航海、航空、宇航、石油化工、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、生

6、物科学等领域中也占据重要地位,医学上以人体为检测对象的超声医学诊断,如超声显微镜、超声成像,以海洋探测及水下目标识别为目的的水声应用等,也归于此类。而我国关于超声波的大规模研究始于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水平。超声在测量领域中的各种应用从被测对象来分,目前超声在测量中的应用主要由以下几个方面:厚度的超声测量:目前超声测厚法有共振法、干涉法、脉冲回波等几种。其中,脉冲回波法是广泛得到应用的一种。流速和流量的超声测量:超声测量流量在许多方面都有应用,譬如在石油化工工业生产过程中流体流量的控制和监督,在水力电力部门对流量的连续测定以及医学

7、上血流的测量等。温度的超声测量:超声测温大多数是以气、液、固三态介质中温度和声速的相关性为理论基础的。由于声速与温度有关,因此可以根据声速在介质中的变化来确定介质温度。超声测温法可以用来测量超低温和超高温。距离的超声测量:超声测距是目前超声在测量领域中的一个广泛应用。本设计所研究的也正是如何利用超声波进行距离的测量。粘度的超声测量:在一般情况下,超声波粘度计是利用粘性液体对振子的切变阻抗来测量粘度的,粘度测量方法有多种,但其中扭转石英和磁致伸缩这两种方法比较优越。除以上几种外,超声还可以用来测量浓度、密度、硬度等。2.3 超声测距的优点及其他测距方法目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、

8、激光测距和超声测距。相比之下,超声波方法在这些领域具有明显突出的优点:a.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b. 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c. 超声波的传播速度仅为光波的百万分之一,因此可以直接测量较近目标的距离。纵向分辨率高d. 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e. 超声波因其波长短,束射性强而易于控制f. 超声波具有波动性和能量二重性通过与红外线技术及光电技术和激光技术等测量方法的比较可见,超声波技术在测量领域具有相对的优势。由于超声有很好的指向性,超

9、声在某种媒质中的传播速度较为恒定,因此,超声最常用的功能是距离测量及定位。由于超声测距的是一种非接触的测量方式,和红外、激光及无线电测距相比,超声测距有结构简单、成本较低、不易受光线、烟雾、电磁影响等优点,而且红外线、光电技术和激光技术的传播速度,快而超声传播速度仅为光波的百万分之一,所以超声波技术更适合直接测量较近距离的物体。综上所述,在某些特殊情况下超声测距是其他测距方式不可替代的。目前,超声波作为一种信息载体,它已在工业检测、海洋探查与开发、无损评价与检测、医学诊断、地质结构探测及微电子学等领域发挥着不可取代的独特的作用。与此同时,超声波作为一种能量形式,通过它与传声媒质相互作用,而产生

10、种种效应,已在物理、化学、生物及医学等基础研究和应用技术开发中展示出十分广阔的前景。3 超声波数字电子尺装置的实现原理3.1 超声数字电子尺的设计思想及超声的传输特性经过上述分析,可见超声波在测距方面有着很大的优势,所以本测试仪选择超声波做测距媒介。本设计构思利用脉冲回波法测量距离的原理来设计超声波测距装置。当发射的超声波遇到障碍物时就会发生反射,接收探头就会接收到反射回的超声波。所以只要测定超声波从发射到接收所用的时间t,那么超声波从探头发射到达反射面的时间就是t/2, 从超声波探头到反射面之间的距离S就可由下式计算:S=Ct/2 (1.1具体如下所示:S t超声波探头图2.1 超声测距示意

11、图在上图中:S 超声波探头与反射面之间的距离。C 探头发射的超声波速(331.4m/s。t 超声波从探头发射到探头接收到超声波所用的时间。其中,超声波的波速可以根据温度传感器送入的数据进行修正。3.1.1超声波在空气中的传播速度在任意情况下的一般气体,即使在线性声学条件下,其声速表达式也颇为复杂,它与气体的分子量,比热和物态方程等多因素有关。这种严格的表达式一般用于声速的精确计算和测量等,在一般的工程问题中,只需给出理想气体声速的表达式如下:MrRT C =(1.2 式中:R 摩尔气体常数T 绝对温度M 气体的分子量 r 气体的定压比热Cp 与定容比热Cv 之比空气中的超声波声速,在温度T 为

12、273.16K ,P0为0.1MPa ,含有0.03摩尔的二氧化碳且无水分时采用如下数据C 0=(331.45+0.05m/s (1.3在其他条件保持稳定时,气体的声速随温度的变化为正温度系数。计算不同温度时空气中的声速可用下式: 0T T C C = (1.4 式中:C 0=331.45 m/s ;T 0=273.16 K所以波速在本设计中相当于是已知的,所以只要测出传输的时间就可以算出距离来。而测量时间是很容易实现的,本方案以单片机ATMEL 89C2051为核心,通过对其进行软件编程,实现该单片机对其外围电路的适时控制,并提供给外围电路各种所需的信号,包括频率振荡信号、数据处理信号和译码

13、显示信号等等,大大简化了外围电路的设计难度,同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本,并且由于是采用软件编程技术,所以其移植性能好,在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去,而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件。该方案的整个硬件电路可用图2.2表示信号 放大、图2.2 硬件电路方框图 本设计中用到三种频率。是超声波的中心频率(40kHz。二是门控信号频率, 经验设为2kHz 。这样从单片机Pl_3端输出的时钟脉冲频率f=2kHz , 周期T=1/f=50ms , 经微分和限幅二极管的限幅后,变为正向尖脉冲, 再由两个LM741整形,便得到高电平宽度为0.25ms 的脉冲信号

14、,该脉冲控制与非门的开启。经U1驱动超声发射器MA40LIS 发出0.25ms/0.025ms10个脉冲, 即从Pl_3输出时钟脉冲的每一个周期,超声发射器便发射出脉冲数为1O 的脉冲串(1/40kHz=0.25ms。三是单片机送出来的计数频率,根据超声波测距精度为lmm ,超声波发射器的声波传超声波 接 收 施密特 整 形 门控电路 AT89C51 门控频率 计数频率 数码 显示40K 振荡频率 温度补偿 信号 整形 超 声 波 发 射播到反射物,再由反射物反射到接收器,所传播距离为2倍测量距离的计算得出。声波在标准气压下15的传播速度为34lm/s,要设计一个时钟周期内超声波传播距离为0.

15、002mm,341/0.002m=17O.5×10kHz,故一个时钟周期内所测距离便为0.001m, N个周期所测的距离为N×0.001m。若软件编程能保证单片机在启停时三个频率信号同步,就具备了精确计数的最基本条件。用单片机来控制发射电路的输出频率,产生40kHz的超声波。在这里还存在一个问题,就是超声波不能一直发射,而只是发射一串,因为要识别接收回来的超声波信号,就必须在接收时保证探头此时不在发射状态,而是处在等待状态。因此发射脉冲的时间太长不行,否则会在这段时间内不能接收;时间太短也不行,会使发射的超声波能量不够。所以必须控制超声波的发射周期,使其隔一段时间发射一次。

16、本设计设定的发射时间为1ms,则可知其在1ms内,超声波走过的距离为:S=331.4×0.001=0.33m由于超声波的传播速度v受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大,如果温度每升高l,声速增加约0.6m/s。因此在测距精度要求很高的情况下,应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。当已知现场环境温度为T时,用公式(1.4即可确定超声波的传播速度v:v=331.5 十 0.617T (1.5由式(1.5可看出,温度对声速的影响较大,会带来测量误差。所以还需进行温度补偿。3.1.2 超声波的反射和折射当超声波在两种介质之间传播时,在它们的界面上,一部分能量反射回介

17、质,另一部分透射过界面,继续传播,均遵从反射定律和折射定律。3.1.3 超声波的衰减声波在媒质中传播时,其强度随传播距离的增加而逐渐减弱的现象,统称为声衰减。声波的衰减主要分为以下三种主要类型:吸收衰减、散射衰减和扩散衰减。其中吸收衰减主要是由媒质的粘滞性、热传导及各种弛豫过程引起的;散射衰减是由于声波在遇到媒质界面时,向不同的方向产生散射,从而导致声波减弱;扩散衰减则是由声源特性引起的,是因为声波传播过程中因波阵面的面积扩大导致的声强减弱,若声源辐射的是球面波(波阵面是同心球面,其波阵面随r的平方增大,声强随r2规律减弱。声波的描述方程与电磁波是类似的:A(t=A(xcos(wt+kx (1

18、.6 上式中,A(x为振幅,为传播角频率,t为传播时间,x为传播距离,k=2/为波数,为声波波长。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。对沿X方向传播的平面波而言,由于不需要计算扩散衰减,则A(x的变化规律可以由下式表示:A(x =A0e x-(1.7A为声源处质子振幅,为不变量;为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为:=0f 2(1.8其中,0为介质常数,f为振动频率。在空气中=2×10-13S2/cm当振动的声波频率f=40KHz时,可得=3.2x10-13cm-1,即1/=31.25m。它的物理意义在于:

19、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1/长度上,平面声波的振幅衰减为原来的1/e。而且,频率越高,衰减系数越大,传播的距离也越短。在实际的应用中,一般选用30-100KHz的超声波进行距离测量,比较的典型的频率为40KHz.3.2 超声波的产生及发射装置的选择超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但射能力越强,为此,利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。总体上讲,超声波发生器可以分为两大类:一类是用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、

20、功率和声波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。3.2.1 超声波换能器的工作机理超声波换能器,即压电式传感器,它是利用某些物质的压电效应制作的传感器。压电效应是可逆的,即有两种压电效应:其一是正压电效应,当沿着一定方向对某些电介质施加力而使其变形时,在一定表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新回到不带电状态;其二是逆压电效应,在介质的极化方向施加电场时,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力;当外加电场撤去后,这些变形或应力也随之消失。本文所研究的超声测距换能器实际上是一种极近距离内的雷达,其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应。利用逆压电效应产生超声波

21、,就是在压电材料上加上某种频率的交变信号,材料就会产生随所加的电压的变化规律而变化的机械变形,这种机械变形推动周围介质振动,产生疏密相间的机械波,如果其振动频率在超声范围内,这种机械波就是超声波。发射的超声波遇到探测物返回到换能器上,接收时,利用正压电效应把来自探测物的声信号转变为电信号的输出。3.2.2超声波换能器的结构超声换能器是产生超声波必需的能量转换装置,它把超声电磁振荡的能量转换为声波。如图2.3所示,是一个超声换能器,具有重量轻、体积小、能量大的特点。相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反,芯片的数目成偶数。以使前后金属盖板或壳体与同极性的电极相连。否则在前后盖板与芯片之间要垫以绝缘垫圈

22、,会导致结构不必要的增大。两芯片之间,芯片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜片(厚度小于0.1mm,作为焊接电极引线用,芯片,电极铜片用强力胶(例如环氧树脂胶合。在压电组件的中央部分用结合轴与圆锥状谐振子连成体,圆锥状谐振于的边缘部分装有圆环状弹性橡胶减振器,使之与外壳固定,起声阻匹配作用。在电声变换部分的前面的超声波束整形板,是对应圆锥状谐振子的振动模式设置的几个开口,使超声波波束指向尖锐,吸声片吸收多余反射声波。通过上述超声换能结构,配以适当的收发电路,便可以使超声能量定向传输,从而达到测距的目的。3.2.3 超声波换能器的类型经过调研得出:市场上常见超声波传感器可分为通用型、宽频带型、密封型、

23、高频型四种。a通用型传感器:频带较窄,带宽一般为几kHz ,并具有选频特性,灵敏度高,抗干扰性强。通用型接收传感器与发送传感器是分开使用的,如MA40A3R 、MA40A3S 。 b 宽频带型传感器:在工作带宽内具有两个谐振频率,因而加宽了频带。宽带传感器具有两个谐振频率,其频率特性就相当于两种传感器的组合。因此,在很宽的频带范围内具有较高的灵敏度,如MA23L3。c 密封型传感器:用于室外,耐风雨性能好,对环境的适应性较强,可用于汽车后方检测物体的装置,如MA40E1R 、MA40E1S 。d 高频型传感器:是指中心频率高于100kHz 的超声波传感器。如MA200AI ,中心频率高达200

24、kHz ,其方向性强,可进行高分辨率测量。但是测量距离不大,一般为20100cm 之间。本设计采用两个MA40LIR 型的小型传感器件,分别承担发射和接收功能,可以满足本设计的要求。外引线 底座 内引线 结合轴 吸声片 减振器 压电组件 锥状 谐振子 波速整形板 图2.3 超声换能器结构原理图4超声波电子尺系统电路的设计4.1 发射部分电路4.1.1 门控电路为实现对超声波发射和接收的自动控制,须在电路中加入门控电路。本设计中是用单片机来控制发射电路的输出频率,产生40kHz的超声波,而单片机产生的超声波不能一直发射,一次只发射10个脉冲串,因为要识别接收回来的超声波信号,就必须在接收时保证探

25、头此时不在发射状态,而是处在等待状态。因此发射脉冲的时间太长不行,否则会在这段时间内不能接收;时间太短也不行,会使发射的超声波能量不够。所以必须控制超声波的发射周期,使其隔一段时间发射一次。由于单片机产生40kHz的超声波发射频率,其周期为250us,所以本设计设定的发射门控时间为1ms,足以保证在下一个脉冲序列到来时,前一个脉冲序列已经被接收完,这样就避免了前个脉冲接受是被后个脉冲所干扰,同时也提高了测量的精度。门控电路由RS触发器完成,RS触发器用CD4013中的一个D触发器完成。当R=1(S=O时复位,即Q=O;s=1(R=0时置位,即Q=1。当单片机上电复位时,非门CD4069的3脚为

26、高电平,于是其2脚输出为高电平。4.1.2 微分/整形电路微分电路由电容C2、电阻R3和二极管D1组成,整形电路由U2A,U2B组成,见图2.4 图2.4 微分/整形电路图超声波发射电路由与非门U2A、集成功率管LM386及超声波发生器LABAL等组成,如图2.5 图2.5 超声波发射电路由单片机P1.2口产生40kHz的超声波振荡信号,并将一门控信号(从单片机的Pl.3 口送出,应注意单片机的P1口初始化为低电平的经过两级非门送入与非门的另一输入端。由于平时非门的3脚由下拉电阻R3将其3脚的电位拉为低电平,经过两级非门后输入与非门另外一端子的信号仍为低电平,这时40kHz的超声波振荡信号无法

27、通过与非门使超声波发生器LABAL起振,设备处于待机状态。按下启动按钮启动单片机内部的定时器TO,将产生一门控(闸门信号。此门控(闸门脉冲信号窄了会降低测量精度,宽了会增加测量延迟时间,同样也会降低测量精度,所以设计时将此门控(阀门信号设计成4kHz。由于单片机的P1口最多只有20mA 的拉电流,而超声波发射器最小驱动电流要60mA,所以在与非门U1ACD4011的后级加入一级功率放大电路完成超声波的发射4.2 接受收滤波电路由于探头接收到的波形要受各种噪声的干扰,所以会对实际的反射波形成影响,从而会影响到测量的准确性,所以要把干扰波滤去,也就是只让接收到的反射波通过,而不允许其它频率的波形通

28、过。这里采用压控电压源型的带通滤波器,把中心频率定为超声波的发射频率40kHz,这样其他频率的波就不会通过,探头接收到的波形就比较理想。4.2.1 滤波电路的选择及参数介绍本设计二阶带通滤波器的设计思想是使用一个高通滤波器串联一个低通滤波器,组成二阶带通滤波器,其幅频特性如图: 图2.6带通滤波器的幅频特性纹波幅度d 在一定频率范围内,实际滤波器的幅频特性可能有波动,d值相比,应远远小于-3dB,即为幅频特性的最大波动值。一个优良的滤波器,d与Ad<< 20A截止频率 幅频特性值等于2A 所对应的频率称为滤波器的截止频率,记作。 带宽B和中心频率f带通滤波器上、下两截止频率之间的频

29、率范围称为通频带带宽,或-3dB 带宽,记作B=fc 1-fc 2,带宽决定滤波器分离信号相邻频率成分的能力,即频率分辨力滤波器的中心频率 是指上下两截止频率的几何平均值, 即 :f=ffc c 21(1.9通常用中心频率 来表示滤波器通频带在频率域的位置。 品质因数值带通滤波器中心频率与带宽之比称为滤波器的品质 因数,又称值,即 Q =Bf(1.10 值越高,滤波器的频率选择性越好。 4.2.2 滤波电路的参数设置在本设计中,高通滤波器的临界频率fc 1必须比低通滤波器的临界频率fc 2小,在理想情况下,中心频率f等于fc 1与fc 2的几何平均值,其中: 对于压控电压源型的二价带通滤波器,

30、已经有公式如下:12131211(11-+ +=R R K R R C C K K f f p (1.11 21321210C C R R R R R += (1.121223131101111C R K C R C R C R Q f += (1.13由于f 0=40KHz, 0=2f 0 :为计算方便取R 1=R 2=R 3,C 1=C 2 ,可得R 1C 1=5.63 µs故取R 1=R 2=R 3=1.2K ,C 1=C 2=4.7µFQ 值被称为品质因数。它的大小决定了通频带的宽度,由于本实验也不是严格的40kHz 波形,故Q 值不宜取得很大,本设计取22=Q ,

31、K f =3.5 因为R 4和R 5组成的是简单的同相放大器,所以有下式成立:451R R K f += (1.14 取R 4=0.8K ,则可得R 5=2.5K 。再将所求得的这些参数代入式(1.11可得Kp=2K f =8。 滤波电路的设计如下:fK Q -=42 图2.7 滤波电路由推导可知此滤波器在其中心频率处的增益是8倍,而在其它频率处的增益相应程度的减小,甚至出现增益小于1的情况,达到了本设计所要求的滤波的目的。表3.1 滤波效果对照表频率20kHz 30kHz 35kHz 38kHz 40kHz 42kHz 45kHz 50kHz 60kHz放大1 2.2 4 7 8 6.6 3

32、.8 2 1倍数4.3 接收放大电路4.3.1 放大电路器件的选择及功能介绍由于超声波在传输过程中要逐渐衰减,播的距离越长,衰减的越厉害。所以要对收到的信号进行放大。超声接收探头接收到由发射端发射出的40KHz的脉冲信号实际在传输过程中已经发生了大幅度的衰减,所以接受端接收到的脉冲信号经过滤波器过滤之后都要进行放大,从而到达到波形转换电路所设定的阈值电压,经过整形电路的整形之后才能传输到门控电路之中,使门控电路识别到经过转换得到的矩形脉冲信号,从而最终象单片机发出中断信号,使单片机控制外围发射电路停止发送脉冲,达到较为准确的计时效果。以本设计的最远测距(10米来说,超声波衰减到了1mV左右,所

33、以可以说换能器接收到的有用信号是1mV左右的,经过滤波器之后,因为有用信号即反射回来的超声波信号是40KHZ的,也就是滤波器的中心频率,所以从滤波器出来的有用信号应该在于10mV左右的。放大器后面的波形转换电路设定的阈值为4V,所以为了保证有用信号均能被波形转换电路识别,可以得出放大器的最小增益为4000/10=400倍。考虑到实验室的条件和为了尽可能的降低设计费用,接收放大电路采用通用型运算放大器LM741组成两极同相负反馈电路。LM741功能介绍:可在+5-+8V范围内选用具有很高的输入共模、差模电压;内含频率补偿和过载、短路保护电路;可通过外接电位器进行调零特点:高输入阻抗,很小的输入电

34、流和电源电流,低噪声,内部设失调电压调节,具有较宽的通频带。可用于高速积分器,快速D/A转换器和采样保持电路等。主要参数:电源电压极限:V18±差模输入电压极限:V30±共模输入电压极限:V15±开环电压增益:(在VO =V10±,RL=2k条件下110 5电源电流:3.6mA单位增益带宽积:4MHz输入电阻:1012共模抑制比:100DbLM741 集成运放的外引线图,各引脚功能如下: 图2.8 LM741 引脚及外引线图2反相输入端 3-同相输入端7电源电压正端4电源电压负端6输出端1、5调零端4.3.2 放大电路的参数设计放大电路设计过程为:由于要

35、放大的倍数为400倍,所以采用两级放大,并且采用了同相输入法。设计第一级放大为20倍,第二级放大为20倍。电压放大倍数的公式为:A F =1+RRfIOUU(1.15其中RF 为反馈电阻,R为反向输入电阻。所以按照公式取标准电阻R11=200K,R10=10K 。这样就实现了第一级的放大倍数为20倍,同理,第二级的放大倍数为20倍。R8,R9为同相端提供支流偏置电位,以稳定运放LM741的直流工作点,避免同相输入端出现浮动状态。 图2.9 放大电路4.4 波形转换电路由前面的分析我们知道,滤波放大之后的信号是正弦信号,但是单片机接收到的应该是可以识别的矩形波信号。所以信号在滤波放大解调之后还应

36、该进行波形转换,由于经过滤波和放大电路出来的信号是一种类似于正弦波的信号,所以此波形转换电路的作用是将正弦波转换为矩形波,然后送入门控电路中进行处理。4.4.1 器件的选用及引脚分析在本设计中,使用由两个六反相集成器CD4069构成的施密特触发器来完成对信号的波形转换,CC4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器,即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。用双列式塑封装(14引脚。内含六个独立的反相器。每个反相器均可执行逻辑的反相操作。用它还可构成振荡器、脉冲整形和小信号的电压放大等。CD4069的外形及引脚如图2.10: 图2.10 CD4069 引脚图

37、片引脚功能符号:1A6A:数据输入端;1Y6Y:数据输出端;VCC:正电源;GND:地。逻辑表达式:Y=A4.4.2 放大电路工作原理及电路图(1施密特触发器的应用施密特触发器的主要特性是具有滞回特性,一般分为正向输出型、反向输出型。主要参数:正向阈值电压:U T+负向U T-回差电压:U T在实际电路使用中,施密特触发器主要用于以下两种方面:a.用于波形变换利用施密触触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。 b.用于脉冲整形在数字系统中,矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变,可以通过用施密特触发器整形而获得比较理想的矩形脉冲波形。 (2施密特触

38、发器的工作特点:输入信号从低电平上升的过程中,电路状态转换时对应的输入电平,与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。电路有不同的阈值电压,即具有滞后的电压传输特性。在电路状态转换时,通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡。 利用这两个特点不仅能将边沿变化缓慢的信号波形整形为边沿陡峭的矩形波,而且可以将叠加在矩形脉冲高、低电平上的噪声有效地清除 (3 滞后的电压传输特性滞后的电压传输特性,即输入电压上升的过程中,电路状态转换时对应的输入电平,与输入电压的下降过程中对应的输入转换电平不同(阈值电平不同,这是施密特触发器固有的特性。上升时的阈值电压U T +称为正向阈值电压

39、,下降时的阈值电压U T -称为负向阈值电压,它们之间的差值称为回差电压U T 。 (4 用门电路组成的施密特触发器的工作原理将两级CD4069反相器串接起来,同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端,就构成了施密特触发器电路。 初态为0分析:U I =U TH 212R R R +U T +U T += +211R R U THUI从大于处逐渐减小,当U I =U TH 时:U I =U T -U I =U TH =(U OH -U T -212R R R +UT - -211R R U TH回差电压:U T =U T +-U T -=221R R U TH V DDR R 21输入信号增

40、加和减少时,电路有不同的阈值电压,它具有如图2.11所示的传输特性。 图2.11 施密特触发器实际电路原理图如图2.12所示: 图2.12 放大电路原理图4.5 开/关机控制电路该电路是接收电路和单片机的一个连接电路,超声波接收探头接受到的第一个40kHz的脉冲信号,经过两极放大,带通滤波,和信号整形,输入此开关机电路,产生一个高低电平的跳变,做为中断信号输入单片机,由单片机识别后,软件控制脉冲发射电路,停止发射脉冲,此时才能保证接收探头接收发射电路发射的第一个脉冲信号时立即停止计时,这样就保证了对时间的正确计数。开/关机电路的核心器件是一个D型触发器,型号为CD4013。其真值表如表3.2

41、输入输出CP D R D S D Q QL L L L HH L L H L×L L 保持××H L L H××L H H L××H H H H表3.2 CD4013真值表CC4013提供了14引线多层陶瓷双列直插(D、容封陶瓷双列直插(J、塑双列直插(P和陶瓷片状载体(C4种封装形式。CD4013引脚功能符号:D1-D2数据端输入V DD正电源CP1-CP2时钟输入端V SS地Q原码输出端1Q原码输出端2Q反码输出端1Q反码输出端2S1-S2直接置位端R1-R2直接置位端CD4013引脚图如图2.13: 图2.13 CD4

42、013引脚图CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出。此器件可用作移位寄存器,且Q输出连到数据输入,可用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发时,加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关,而分别由置位或复位上的高电平完成。5. 单片机软件部分在设计的最后就是把通过单片机测出的距离精确的显示出来,我们采用AT89C51单片机控制3位LED数码发光管来显示。5.1 AT89C51单片机简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasab

43、le Read Only Memory的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。5.1.1主要特性:·与MCS-51 兼容·4K字节可编程闪烁存储器·寿命:1000写/擦循环·数据保留时间:10年·全静态工作:0Hz-24Hz·三级程序存储器锁定·128*8位内部RAM&

44、#183;32可编程I/O线·两个16位定时器/计数器·5个中断源·可编程串行通道·低功耗的闲置和掉电模式·片内振荡器和时钟电路5.1.2 结构概览 图2.14 AT89C51引脚图RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。5.1.3 振荡器的时钟电路单片机工作是在统一的时钟脉冲控制下,一拍一拍的地进行的,这个脉冲是单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部

45、件间的同步工作,弹片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地按时序进行工作。下面介绍80C51时钟电路及CPU时序的概念80C51内部有一个高增益反相放大器,用于构成振荡器,但要形成时钟脉冲,外部还需附加电路。利用芯片内部的振荡器,然后在引脚XTALI和XTAL2两端跨接晶体振荡器,就构成了稳定的自激振荡器,发出的脉冲直接送入内部时钟电路,如图2.15所示 图2.15 内部时钟电路外接晶振时,C1和C2的值通常选择为30PF左右;C1和C2对频率有微调作用,晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz-12MHz之间选择。为了减少寄生电容,更好的保证振荡器稳定,可靠地工作,振荡器和电容应尽可能安装得

46、与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。该电路利用了内部的高增益的反相放大器,外部电路接线简单,只需要1个晶振和2个电容即可,单片机应用系统中大多采用此电路。该电路产生的时钟信号的震荡频率就是晶振的固有频率,用fosc表示。如选择12MHz晶振,则fosc =106 125.1.4 上电+按键复位电路复位是单片机的初始化操作,单片机系统在上电启动运行时,都需要先复位。所起的作用是使CPU和系统中其他部件都处在一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作,因而,复位是一个很重要的操作方式,但单片机本身是不可能自动进行复位的,必须配合相应的外部复位电路才能实现。当80C51通电,时钟电路开始工作,在8

47、0C51单片机的RST(DIP40封装第9脚引脚加上大于24个时钟周期以上的中脉冲,80C51打扮年偏激系统即初始复位,初始化后,成熟计数器PC指向0000H, P0-P3输出全部为高电瓶,堆栈指针写入07H,其他专用寄存器被清0。RST由高电平,下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序图2.16是80C51单片机的上电+按键复位电路,复位按键按下后,复位端通过51的小电阻与Vcc电源接通,迅速放电,使RST引脚为高电平,复位按键弹起后,电源Vcc通过8.2k的电阻对10uF的电容重新充电,RST引脚端出现复位正脉冲,持续时间取决于RC电常数 图2.16 上电+按键复位电路5.1.4

48、 振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。5.2 LED数码管LED由Light Emiting Dcode三个单词的首字母组成,是半导体发光二极管的简称。七段发光二极管(LED数码管是目前最常用的数字显示它体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高、功耗低。一个LED数码管可用来显示一位09十进制数和一个小数点。小型数码管(0.5吋和0.36吋每段发光二极

49、管的正向压降, (a (b图2.17 共阴管和共阳管的电路以及共阳LED 七段数码管外引线排列 (a 共阴管和共阳管的电路 (b 共阳LED 七段数码管外引线排列表3.3 74LS273 BCD 七段显示译码器功能表十进制功 能 输 入 端输 出 端字形 LT RBI RBO BI / A3 A2 A1 A0 a b c d e f g 灭灯 × × 0 × × × × 1 1 1 1 1 1 1 全灭 试灯 × × 1 ×× × × 0 0 0 0 0 0 0 8 0 1

50、1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 × 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 2 1 × 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 02 3 1 × 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 3 4 1 × 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 4 5 1 × 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 5 6 1 × 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 6 7 1 × 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 7 8 1 × 1 1

51、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 9 1×11 0 0 10 0 0 0 1 0 09a bcde fg+U C C-U CCgfbaedc-U C Ca b c d e f gU C Ca b c d e f g随显示光(通常为红、绿、黄、橙色颜色不同略有差别,通常约为2-2.5V,每个发光二极管的点亮电流在5-10mA。LED数码管要显示BCD码所表示的十进制数字就需要有一个专门的译码器,有些译码器不但要完成译码功能,还带有驱动电路以驱动数码管工作。数码管正常工作时每段电流约为8mA,所以数码管与显示译码器配套使用时,在两者之间应串入1K左右的限流电阻。图2.17为共

52、阴管和共阳管的电路以及共阳LED七段数码管外引线排列。BCD码七段译码驱动器有共阳和共阴两类。型号有74LS273(共阳、74LS48 (共阴、CC4511(共阴等。本实验采用共阳接法的74LS273 BCD七段显示译码器。5.3 扫描显示原理用单片机用软件扫描方法来实现数码显示。本设计采用共阳接法,要显示地位三数,所以只需3个LED管,3个LED通道发出3个位扫描代码,其中一个通道作为位控制端,当控制端输出的控制码位某一位的低电平时,此位对应的LED便显示数据。另一个通道输出七段译码值,通过一个3位驱动器组将译码值同时送到各显示管,此通道和3位驱动器组成是有三个译码管分时使用的,当单片机送出

53、一个代码时,尽管每个显示管的阴极都收到了此代码,但是位码中只有一位为低电平,所以只有一个管子的相应段得到导通而显示数字,其他管子并不发光。此通道和3位驱动器称为段控制通道。,如果单片机往控制通道连续送3个数字,并且依次往位控制通道发出3个位扫描代码,每个扫描中,对应于要显示的位0其余为一,这样便可以在3个LED上显示出3位十六进制数字。利用眼睛的视觉惯性,当采用一定的频率不断地往3个LED输送显示码和扫描代码时,从显示管上便可以见到相当稳定地数字显示。5.4 显示电路图 图2.18 显示电路图5.5 单片机软件流程图2.19 超声波测距装置软件流程图上电初始化CPU 开中断 INT1开中断P1

54、.3置位P1.3清零等待INT1中断将07H 送P1口延时1ms将01H 送P1口 INT0开中断等待INT0中断INTO 关中断读取U2、U3所记数据,计算时间t计算s=1/2vt显示s 数值图2.20 主程序软件流程图图2.21 测量子程序软件流程图测量子程序开始调用发射超声波子程观察接受输入,并进行时间测量接受脉冲到来,测量结束返回开始系统初始化控制键按下?调测温子程序调测距子程序YN6 提高部分在本设计系统中,由于反射超声波接收时的信号幅度与反射物体离接收传感器的距离远近有关,一般相差几十分贝。为了提高超声波测距范围,需要对接收信号进行变增益放大,以满足后续信号处理的需要。本部分作为论

55、文的提高部分,在已有的理论基础上对接收电路添加了由AD603可变增益放大器结合简单的AGC 控制电路,AGC 电路是一种在输入信号幅度变化很大的情况下,使输出信号幅度保持恒定或仅在较小范围内变化的自动控制电路。AGC 的基本原理是产生一个随输入电平而变化的直流AGC 电压,利用AGC 电压去控制某些放大部件(如中放的增益,使接收机总增益按照一定规律而变化。AGC 电路主要由控制电路和被控电路两部分组成。控制电路就是AGC 直流电压的产生部分,被控电路的功能是按照控制电路所产生的变化着的控制电压来改变接收机的增益。从而达到对接收信号进行变增益放大,从而达到提高测量的精度的目的。其具体原理框图如图

56、2.22图2.22 原理框图发射电路 时序控制 计时电路放大滤波 电路自动曾益电路(AGC 时间检测峰值检测单 片 机 系 统发射探头接收 探头6.1 AD603工作原理介绍AD603是低噪、90MHz带宽增益可调的集成运放,如增益用分贝表示,则增益与控制电压成线性关系。管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围,增益在-11 +30dB时的带宽为90MHz,增益在+9+41dB时具有9MHz带宽,改变管脚间的连接电阻,可使增益处在上述范围内。该集成电路可应用于射频自动增益放大器、视频增益控制、A/D转换量程扩展和信号测量系统,简化原理框图如图2.23所示 图2.23 AD603内部原理简化框图引

57、脚图如图2.24所示 图2.24 AD603引脚图AD603引脚功能:GPOS 增益控制输入“高”电压端(正电压控制GNEG 增益控制输入“低”电压端(负电压控制VINP 运放输入COMM 运放公共端FDBX 反馈端VNEG 负电源输入VOUT 运放输入VPOS 正电源输入AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。图中加在梯型网络输入端(VINP的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关,而仅与其差值VG有关,由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50M,因而输入电流很小,致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。图1中的“滑动臂”从左到右是可以连接移动的。当VOUT 和FDBK两管脚的连接