【文章內容簡介】 計上比方案二較為簡單。另外，通過由二極管和電容構成峰值檢波電路以及運放和三極管構成電平轉換電路，其實現(xiàn)上較為簡單，成本也較低。在此方案中要求在峰值檢波時要考慮延時時間的合理取值，而且在運放選擇時一定要使用高速型運放，這樣當接收到回波信號時，就能很快轉換好，使得測量的時間較為準確。 在本系統(tǒng)設計過程中，經(jīng)過綜合考慮和比較后，最終采用了方案三來實現(xiàn)超聲波測距硬件系統(tǒng)的設計。 南昌航空大學學士學位論文 12 第四章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設計思路及調試 設計要求 利用超聲波換能器和單片機設計 一種 非接觸式測距儀， 該裝置 的測量距離為4CM4M，并且具 有 溫度補償 、 測量 準確、 性能 可靠性等優(yōu) 點。 掌握超聲波傳感器的工作原理并設計 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。 溫度補償范圍： 20 500C。 實時顯示實測 距離、 溫度。 超聲波測距系統(tǒng)的結構框圖 通過對方案的比較和論證及設計要求的領會，將超聲波測距儀硬件設計電路分成了：超聲波產(chǎn)生電路模塊、驅動電路模塊、超聲波接收放大電路模塊、峰值檢波模塊、電壓比較模塊、電平轉換、溫度補償模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制模塊和數(shù)碼顯示這九個模塊來實現(xiàn)。最后制訂了本次畢業(yè)設計超聲波測距系統(tǒng)的硬件結構 框圖，如圖 所示： 接收 渡越 時間 按鍵控制 發(fā)射 溫度 補償 圖 超聲波測距系統(tǒng)的基本組成 計時 驅動發(fā)射電路 信號接收 及放大電路 峰值檢波 及電平變換 單 片 機 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 南昌航空大學學士學位論文 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 定時器構成多諧振蕩器產(chǎn)生 40KHz 的超聲波。圖 為 555定時器構成的多諧振蕩器，復位端 4由單片機的 口控制，當單片機給低電平時，電路停振；當單片機給高電平時電路起振。接通電源后，電容 C2 來不及充電， 6 腳電壓 Uc=0，則 U1=1,555 芯片內部的三極管 VT處于截止狀態(tài)。這時 Vcc 經(jīng)過 R3 和 R2向 C2 充電，當充至 Uc=2/3Vcc 時，輸出翻轉 U1 =0， VT 導通；這時電容 C2 經(jīng) R2和VT放電，當降至 Uc=1/3Vcc 時 ，輸出翻轉 U1=1。 C2 放電終止、又重新開始充電，周而復始，形成振蕩。其振蕩周期與充電時間 tPH和放電時間 tPL有關，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]。在電路設計時，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： 為了方便在實驗過程中使得 555 芯片的 3 腳輸出 40KHz 的信號，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，同時將其復位端 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????? ? ? ?? ? ?? ? ?南昌航空大學學士學位論文 14 圖 555 構成的多諧振蕩器電路 圖 555 芯片 3 腳的輸出波形 驅動電路模塊 超聲波驅動電路是由門電路組成的傳感器振蕩發(fā) 射電路， 其輸人信號由 555 定時器構成的多諧振蕩器提供。超聲波發(fā)射器由 5個成對的 CMOS 反相器 CD4069 驅動。輸出級實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 電壓驅動。加在超聲波發(fā)射器上的信號應為 0～ +12V 的脈沖信號。每路信號經(jīng)過兩個并聯(lián)的非門是為了增加電流驅動能力。非門采用 CMOS 產(chǎn)品，因為其功耗小，抗干擾能力強， 驅動能力強 。該電路 原理簡單， 連線方便，價格又相對便宜 [13]。同時通過在輸入端加一上拉電阻R4來增大 40KHz 方波信號的電流，從而也增大了發(fā)射功率。上拉電流的大小為： 南昌航空大學學士學位論文 15 圖 超聲波驅動電路 接收放大電路模塊 超聲波接收傳感器通過壓電轉換的原理，將由障礙物返回的回波信號轉換成電信號，由于該信號幅度較小 (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讓其工作導致傳感器的壽命縮短，從而加上一隔值電容 C4，同時 C4和 R5也構成了一濾波電路。 在此電路中，放大部分采用的是高速型運放 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)缺點后，最終選擇了同相放大電路。因為同相放大電路的理想輸入阻抗 Rin=∞，理想輸出阻抗 Rout=0，其帶負載能力較強等諸多因素，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： () 因為接收到的信號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信號不會被干擾信號給掩蓋。為了防止引起運算放大器的自激振蕩，在第一級放大電路中， 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??南昌航空大學學士學位論文 16 在第二級放大電路中， R11和 R12的取值分別為 100 KΩ、 10 KΩ，其放大增益： 其兩級增益： 12 48 11 528Af Af Af? ? ? ? ?。 同時根據(jù)公式 ，計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構成了一階濾波電路。 圖 接收放大電路 峰值檢波模塊 當信號經(jīng)過了接收放大模塊電路后，其輸出信號 V2 為 40KHz 的交流信號。因為交流信號無法由單片機來處理，所以應將交流信號轉化為直流信號。在硬件的設計中，主要是通過電解電容 C7 的充放電來將 40KHz 的交流信號轉為直流信號，在本 系統(tǒng)中采用的是由檢波二極管 IN60 和 1uf 的電容來實現(xiàn)該功能。通過公式 和 來分別計算其充電時間 Г 1和放電時間Г 2 。同時要求其放電時間Г 2 ≥ 25us，這樣才能保證峰值檢波電路將 40KHz 的交流信號轉化成直流信號。 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 ?? ? ? ? ??南昌航空大學學士學位論文 17 2 1 2()DDR R C? ? ? ? () ? ? 62 12 0 12 0 1 10 24 0 s 25 s? ? ??? ? ? ? ? ?滿足設計要求。 （其中 RD1,RD2分別為二極管的正向導通電阻值為 120Ω） 電壓比較器模塊 超聲波傳感器所接收到的信號經(jīng)過放大和峰值檢波后變?yōu)橹绷餍盘?，為了判斷其是否接收到的回波信號。同時因為比較器不需要相位補償，故適用于高速工作。為了判斷超聲回波信號前沿以進行渡越時間 t 的測定而設置一定的門限電壓， 但由于每次測距的回波信號的峰值不同，當選取一定的門限電壓時，如果門限值設置過高，會造成信號的漏觸發(fā)，但也不能設置過低，否則會造成噪聲信號的誤觸發(fā)。由于超聲波在空氣中傳輸時不可避免引入干擾，則比較基準電平時利用電位器調節(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，最終將門限電壓設置為1V，其實驗電路如圖 所示。在此電路中，采用 TL084 中的其他兩個運算放大器。當超聲波接收到信號時其比較器的輸出電壓 V4 為 +12V；當沒有接收到信號時，其比較器的輸出電壓 V4 為 12V。 圖 峰值檢波電路 南昌航空大學學士學位論文 18 電平轉換模塊 當超聲波傳感器接收端接收到信號時，其比較器的輸出電壓為 +12V；當沒有接收到信號時，其比較其的輸出電壓為 12V。因為單片機 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的電壓信號轉化為單片機能夠處理的信號，其設計電路如圖 所示，在此電路中 Vcc 接 5V電源。當超聲波傳感器的接收端接收到回波信號時，其 V3 的電壓為 +12V，這時三極管 9013 處于飽和狀態(tài)， 口的電壓為低電平（ 左右） ，發(fā)光二極管點亮；當沒有接收到回波信號時，其 V3 的電壓為 12V，這時因為三極管的 Ube=12V，所以三極管處于截止狀態(tài)，此時 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 電平轉換電路 32 5 0 .5 m A1 0 1 0I ???南昌航空大學學士學位論文 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果 ， 必須對波速進行溫度補償。本文采用 DS18B20檢測現(xiàn)場溫度 ， 用以實現(xiàn)實際波速的校準。 目前 ， 大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進行溫度測量時 ， 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 ， 將溫度轉化為電信號 ， 經(jīng)過信號放大電路放大到合適的范圍 ， 再由 A /D轉換器轉換為數(shù)字量。此種形式 的溫度測量結構復雜 ， 調試繁鎖 ， 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)字式半導體溫度傳感器 。它具有節(jié)省系統(tǒng) I/O口線資源 ， 結構簡單 ， 成本低廉 ， 精確度高 ， 便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。 12W ire (單總線 )是 Dallas半導體公司近年推出的新技術。他將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為 1根信號線。單總線適用于單個主機系統(tǒng) ， 能夠控制一個或多個從機設備。 DS18B20抗干擾能力強 ,轉換精度高 ， 使用時無需標定或調試 ， 與微處理器的接口電路簡單 ， 可方便地實現(xiàn)多點 組網(wǎng)測溫 ， 給硬件設計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