【文章內(nèi)容簡介】 計(jì)上比方案二較為簡單。另外，通過由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波電路以及運(yùn)放和三極管構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，其實(shí)現(xiàn)上較為簡單，成本也較低。在此方案中要求在峰值檢波時(shí)要考慮延時(shí)時(shí)間的合理取值，而且在運(yùn)放選擇時(shí)一定要使用高速型運(yùn)放，這樣當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，就能很快轉(zhuǎn)換好，使得測量的時(shí)間較為準(zhǔn)確。 在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過綜合考慮和比較后，最終采用了方案三來實(shí)現(xiàn)超聲波測距硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 第四章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)思路及調(diào)試 設(shè)計(jì)要求 利用超聲波換能器和單片機(jī)設(shè)計(jì) 一種 非接觸式測距儀， 該裝置 的測量距離為4CM4M，并且具 有 溫度補(bǔ)償 、 測量 準(zhǔn)確、 性能 可靠性等優(yōu) 點(diǎn)。 掌握超聲波傳感器的工作原理并設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射器與接收器的工作電路 。 測量距離為 4CM4M，測量誤差 ≤ 1CM。 溫度補(bǔ)償范圍： 20 500C。 實(shí)時(shí)顯示實(shí)測 距離、 溫度。 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 通過對(duì)方案的比較和論證及設(shè)計(jì)要求的領(lǐng)會(huì)，將超聲波測距儀硬件設(shè)計(jì)電路分成了：超聲波產(chǎn)生電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、超聲波接收放大電路模塊、峰值檢波模塊、電壓比較模塊、電平轉(zhuǎn)換、溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制模塊和數(shù)碼顯示這九個(gè)模塊來實(shí)現(xiàn)。最后制訂了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 框圖，如圖 所示： 接收 渡越 時(shí)間 按鍵控制 發(fā)射 溫度 補(bǔ)償 圖 超聲波測距系統(tǒng)的基本組成 計(jì)時(shí) 驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路 信號(hào)接收 及放大電路 峰值檢波 及電平變換 單 片 機(jī) 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 控 制 超聲波 發(fā)射器 超聲波 接收器 溫度測量電路 數(shù) 碼 顯 示 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 各功能模塊電路介紹 超聲波產(chǎn)生電路 在本系統(tǒng)中利用 555 定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生 40KHz 的超聲波。圖 為 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器，復(fù)位端 4由單片機(jī)的 口控制，當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，電路停振；當(dāng)單片機(jī)給高電平時(shí)電路起振。接通電源后，電容 C2 來不及充電， 6 腳電壓 Uc=0，則 U1=1,555 芯片內(nèi)部的三極管 VT處于截止?fàn)顟B(tài)。這時(shí) Vcc 經(jīng)過 R3 和 R2向 C2 充電，當(dāng)充至 Uc=2/3Vcc 時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn) U1 =0， VT 導(dǎo)通；這時(shí)電容 C2 經(jīng) R2和VT放電，當(dāng)降至 Uc=1/3Vcc 時(shí) ，輸出翻轉(zhuǎn) U1=1。 C2 放電終止、又重新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。其振蕩周期與充電時(shí)間 tPH和放電時(shí)間 tPL有關(guān)，振蕩周期為： ? ?P H P L 3 2 2T = t + t 0. 7 R + 2R C? （ ） （ ） 由公式 可知， 555 多諧振蕩器的振蕩頻率由 R2,R3,C2 來確定 [12]。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，先確定 C2,R2 的取值，即 C2=3300pf， R2= KΩ 。再將 C2 和 R2的值帶入公式 中可知： 為了方便在實(shí)驗(yàn)過程中使得 555 芯片的 3 腳輸出 40KHz 的信號(hào)，在這里將其用 10 KΩ 的電位器代替。 為了增大 U1的輸出功率，將 555 芯片的 8 腳接 +12v 的電壓，同時(shí)將其復(fù)位端 4接高電平，使用示波器觀察 555芯片 3腳的輸出波形，如圖 所示。通過調(diào)節(jié)電位器 R3 的阻值，使其輸出波形的頻率為 40KHz，這樣就完成了超聲波產(chǎn)生電路。 ? ? ? ?3 2 21. 4311 402P H P Lf KH zT tt R R C? ? ? ?? ?32312 331. 43 221. 43 2 2. 7 1033 00 10 40 105. 4 10RRCf????? ? ? ?? ? ?? ? ?南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 555 構(gòu)成的多諧振蕩器電路 圖 555 芯片 3 腳的輸出波形 驅(qū)動(dòng)電路模塊 超聲波驅(qū)動(dòng)電路是由門電路組成的傳感器振蕩發(fā) 射電路， 其輸人信號(hào)由 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器提供。超聲波發(fā)射器由 5個(gè)成對(duì)的 CMOS 反相器 CD4069 驅(qū)動(dòng)。輸出級(jí)實(shí)際上屬于全橋式接法， 使發(fā)射器有效電壓增倍，電路圖如圖 所示。 在暫停發(fā)送期間，電容 C3 用于阻塞輸人電流中的直流成分， 起到保護(hù)超聲波發(fā)射器的作用。 為使發(fā)送器得到最大的能量， CD4069 采用了 12V 電壓驅(qū)動(dòng)。加在超聲波發(fā)射器上的信號(hào)應(yīng)為 0～ +12V 的脈沖信號(hào)。每路信號(hào)經(jīng)過兩個(gè)并聯(lián)的非門是為了增加電流驅(qū)動(dòng)能力。非門采用 CMOS 產(chǎn)品，因?yàn)槠涔男。垢蓴_能力強(qiáng)， 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) 。該電路 原理簡單， 連線方便，價(jià)格又相對(duì)便宜 [13]。同時(shí)通過在輸入端加一上拉電阻R4來增大 40KHz 方波信號(hào)的電流，從而也增大了發(fā)射功率。上拉電流的大小為： 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 超聲波驅(qū)動(dòng)電路 接收放大電路模塊 超聲波接收傳感器通過壓電轉(zhuǎn)換的原理，將由障礙物返回的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由于該信號(hào)幅度較小 (幾到幾十毫伏 )，因此須由低噪聲放大、 40kHz帶通濾波電路將回波信號(hào)放大到一定幅度，使得干擾成分較 少，其電路圖如圖 。在此電路中，為了防止在超聲波接收器上始終加有一直流信號(hào)讓其工作導(dǎo)致傳感器的壽命縮短，從而加上一隔值電容 C4，同時(shí) C4和 R5也構(gòu)成了一濾波電路。 在此電路中，放大部分采用的是高速型運(yùn)放 TL084。在綜合考慮了反相放大器、同相放大器和測量放大器的優(yōu)缺點(diǎn)后，最終選擇了同相放大電路。因?yàn)橥喾糯箅娐返睦硐胼斎胱杩?Rin=∞，理想輸出阻抗 Rout=0，其帶負(fù)載能力較強(qiáng)等諸多因素，所以選擇此電路。在此電路中，根據(jù)同相放大器的閉環(huán)增益公式： () 因?yàn)榻邮盏降男盘?hào)幅度為幾到幾十毫伏，所以需要將其放大 400多倍使得其接收到的40KHz信號(hào)不會(huì)被干擾信號(hào)給掩蓋。為了防止引起運(yùn)算放大器的自激振蕩，在第一級(jí)放大電路中， R7取值為 470KΩ ,R8取值為 10 KΩ ,其增益放大 : 31 12 1 .21 0 1 0I m A???3 31 7 4 7 0 1 01 1 4 88 1 0 1 0RAf R ?? ? ? ? ??1 RfAf Rr??南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 在第二級(jí)放大電路中， R11和 R12的取值分別為 100 KΩ、 10 KΩ，其放大增益： 其兩級(jí)增益： 12 48 11 528Af Af Af? ? ? ? ?。 同時(shí)根據(jù)公式 ，計(jì)算出同相放大器的平衡電阻 R6和 R10，在這里 R6和 R10的取值均為 10 KΩ。同相放大器平衡電阻公式為： （ ） 由公式 ，在圖 ,C5和電阻 R9構(gòu)成了一階濾波電路。 圖 接收放大電路 峰值檢波模塊 當(dāng)信號(hào)經(jīng)過了接收放大模塊電路后，其輸出信號(hào) V2 為 40KHz 的交流信號(hào)。因?yàn)榻涣餍盘?hào)無法由單片機(jī)來處理，所以應(yīng)將交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直流信號(hào)。在硬件的設(shè)計(jì)中，主要是通過電解電容 C7 的充放電來將 40KHz 的交流信號(hào)轉(zhuǎn)為直流信號(hào)，在本 系統(tǒng)中采用的是由檢波二極管 IN60 和 1uf 的電容來實(shí)現(xiàn)該功能。通過公式 和 來分別計(jì)算其充電時(shí)間 Г 1和放電時(shí)間Г 2 。同時(shí)要求其放電時(shí)間Г 2 ≥ 25us，這樣才能保證峰值檢波電路將 40KHz 的交流信號(hào)轉(zhuǎn)化成直流信號(hào)。 其峰值檢波電路如圖 。 12DRC? ?? () 61 12 0 1 10 12 0 s???? ? ? ? Rf RrRp Rf Rr? ?3 32 1 0 0 1 0111 1 1 112 1 0 1 0RAf R ?? ? ? ? ??南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 2 1 2()DDR R C? ? ? ? () ? ? 62 12 0 12 0 1 10 24 0 s 25 s? ? ??? ? ? ? ? ?滿足設(shè)計(jì)要求。 （其中 RD1,RD2分別為二極管的正向?qū)娮柚禐?120Ω） 電壓比較器模塊 超聲波傳感器所接收到的信號(hào)經(jīng)過放大和峰值檢波后變?yōu)橹绷餍盘?hào)，為了判斷其是否接收到的回波信號(hào)。同時(shí)因?yàn)楸容^器不需要相位補(bǔ)償，故適用于高速工作。為了判斷超聲回波信號(hào)前沿以進(jìn)行渡越時(shí)間 t 的測定而設(shè)置一定的門限電壓， 但由于每次測距的回波信號(hào)的峰值不同，當(dāng)選取一定的門限電壓時(shí)，如果門限值設(shè)置過高，會(huì)造成信號(hào)的漏觸發(fā)，但也不能設(shè)置過低，否則會(huì)造成噪聲信號(hào)的誤觸發(fā)。由于超聲波在空氣中傳輸時(shí)不可避免引入干擾，則比較基準(zhǔn)電平時(shí)利用電位器調(diào)節(jié)電壓，消除干擾。經(jīng)過多次測量并使用示波器觀察峰值檢波電路的輸出電平，最終將門限電壓設(shè)置為1V，其實(shí)驗(yàn)電路如圖 所示。在此電路中，采用 TL084 中的其他兩個(gè)運(yùn)算放大器。當(dāng)超聲波接收到信號(hào)時(shí)其比較器的輸出電壓 V4 為 +12V；當(dāng)沒有接收到信號(hào)時(shí)，其比較器的輸出電壓 V4 為 12V。 圖 峰值檢波電路 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 電平轉(zhuǎn)換模塊 當(dāng)超聲波傳感器接收端接收到信號(hào)時(shí)，其比較器的輸出電壓為 +12V；當(dāng)沒有接收到信號(hào)時(shí)，其比較其的輸出電壓為 12V。因?yàn)閱纹瑱C(jī) STC89C52 的高低電平為 0～6V 左右，所以比較器輸出的電壓不能直接送給單片機(jī)去處理。因此可以通過采用三極管的截止與飽和兩種狀態(tài)將 177。 12V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠處理的信號(hào)，其設(shè)計(jì)電路如圖 所示，在此電路中 Vcc 接 5V電源。當(dāng)超聲波傳感器的接收端接收到回波信號(hào)時(shí)，其 V3 的電壓為 +12V，這時(shí)三極管 9013 處于飽和狀態(tài)， 口的電壓為低電平（ 左右） ，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；當(dāng)沒有接收到回波信號(hào)時(shí)，其 V3 的電壓為 12V，這時(shí)因?yàn)槿龢O管的 Ube=12V，所以三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí) 口為高電平（ ），發(fā)光二極管熄滅。其中電阻 R15 和 R16 均為限流電阻，其電流值為： 。 圖 電壓比較電路 圖 電平轉(zhuǎn)換電路 32 5 0 .5 m A1 0 1 0I ???南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 溫度測量模塊 在常溫下 ， 超聲波的傳播速度為 340m / s， 但其傳播速度 V易受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響 ， 其中溫度的影響最大。由式子 1℃ ， 聲速增加約為 / s。表 2為超聲波在不同溫度下的波速值。 表 2 波速與溫度關(guān)系表 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 40 波速（ m/s） 313 319 325 332 338 344 350 388 由表 2可見溫度對(duì)于超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了得到較為精確的測量結(jié)果 ， 必須對(duì)波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文采用 DS18B20檢測現(xiàn)場溫度 ， 用以實(shí)現(xiàn)實(shí)際波速的校準(zhǔn)。 目前 ， 大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進(jìn)行溫度測量時(shí) ， 通常采用模擬式溫度敏感元件 ：如熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀等 ， 將溫度轉(zhuǎn)化為電信號(hào) ， 經(jīng)過信號(hào)放大電路放大到合適的范圍 ， 再由 A /D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。此種形式 的溫度測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 調(diào)試繁鎖 ， 測量精度易受元器件參數(shù)影響。 DS18B20是 Dallas公司開發(fā)的 12W ire (單總線 )高精度數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器 。它具有節(jié)省系統(tǒng) I/O口線資源 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 成本低廉 ， 精確度高 ， 便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。 12W ire (單總線 )是 Dallas半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)。他將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為 1根信號(hào)線。單總線適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng) ， 能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。 DS18B20抗干擾能力強(qiáng) ,轉(zhuǎn)換精度高 ， 使用時(shí)無需標(biāo)定或調(diào)試 ， 與微處理器的接口電路簡單 ， 可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn) 組網(wǎng)測溫 ， 給硬件設(shè)計(jì)工作帶來了極大的方便。另外采用 DS18B20能縮短開發(fā)周期 ， 有效地降低成本 ， 簡