电子技术课程设计报告——硬件超声波测距仪.docVIP

《电子技术》课程设计报告 设计题目：　　　超声波测距仪　　　 学　　院：　 　 班　　级：　　　　 　　　　 姓　　名：　　　　 　　　　 学　　号：　　　 　　　 2012年1月5日  目 录 1 课程设计目的 2 2 课程设计任务和要求 2 2.1课程设计任务 2 2.2课程设计要求 2 3. 课程设计内容 2 3.1方案选择及说明 2 3.2系统框图 3 3.3模块的实现 3 3.3.1 40KHz信号发生器 3 3.3.2 闸门信号发生器 4 3.3.3 电子开关与超声波换能器驱动电路 5 3.3.4 接收放大电路 5 3.3.5 信号调理电路 6 3.4 信号波形图 7 3.5 闸门周期计算 7 3.6 总原理图 8 3.5 实物电路搭建 9 4.实物测试及实验结果 10 5. 设计总结 13 6. 参考资料 13  1 课程设计目的 1.结合所学的电子电路的理论知识完成硬件超声波测距仪设计与制作； 2.通过该设计学会并掌握常用电子元器件的选择和使用方法； 3.提高自己综合分析问题和解决问题的能力。 2 课程设计任务和要求 2.1课程设计任务 运用模拟电路、数字电路与TCT40-16型超声波换能器设计并制作一个以硬件电路实现的超声波测距仪。 表1.TCT40-16参数 参数 典型值 单位 条件 标称频率 40.0±1.0 KHz 接收灵敏度≥-67 dB 40KHz,0dB=V/ubar 发射声压≥117 dB 10V,0dB=0.02mPa 静电容量2000±30% pF 1KHz 最大输入电压 60 Vp-p 指向角 60 度 -6dB 工作温度 -20~+70 ℃ 2.2课程设计要求 1. 输出一个直流电压信号表示测得的距离； 2. 以市售数字电压表测量并显示该电压值； 3. 距离与直流电压应存在比较简单的对应关系。 3. 课程设计内容 3.1方案选择及说明 由物理学知识，声波在空气中传播的速度近似为一常数，故若测得从超声波发射至接收到反射波的时间为，则，即被测距离与时间t成正比。 由电子学知识，占空比为，高电平电压为的PWM波经低通滤波后可得直流电压，其值为，与d成正比。 故本方案设计为：输出一个PWM波，其正脉冲对应超声波从发射到接收的时间。则由上述知识可知，低通滤波器将输出一个与被测距离成正比的直流电压信号。只需合理选择参数，即可调整比例系数使得所测距离适合在数字电压表上直接读取。 3.2系统框图 图1.系统模块框图 3.3模块的实现 3.3.1 40KHz信号发生器 由于超声波换能器的通频带比较窄，偏离中心频率将导致换能效率大幅下降，因此需要设计一个精确的40KHz振荡器。 受限于目前的工艺水平，电容元件的精度只有10%左右，因此若使用RC振荡电路则必须设置可调电阻进行调试，增加电路复杂性，并且容易产生漂移。 而晶体谐振器则在频率精度、温度稳定性、时间稳定性及价格上具有很大优势。以8MHz晶振谐振器为频率基准、74HC04为高增益反相放大器的振荡器经整形能输出8MHz方波，经一片CD4518双十进制计数器级联进行100分频后，生成80KHz、占空比为20%的方波，再经一片CD4518进行二分频，得到40KHz、占空比为50%的方波。 图2所示电路将从图中标号为22的网络输出40KHz方波。 图2.40KHz信号发生器 3.3.2 闸门信号发生器 根据超声波测距的原理，需要不断发送短促的超声波脉冲序列，并测量从发射到接收的时间。因此需要生成一个周期较长，占空比较小的闸门信号。在闸门信号有效时对外发射超声波，当闸门信号关断时停止发送，等待返回的超声波信号。 根据超声波测距的原理，闸门信号周期应大于声速与两倍量程上限所需时间的乘积，闸门信号有效时间应使超声波换能器稳定振荡。考虑到本测距仪的设计量程为5米，故设计闸门时间周期T约为30ms并可调，闸门有效时间约为500s。 设计使用时基集成电路NE555作为闸门信号发生器，采用典型的多谐振荡器电路。闸门开启时间固定为693s。若调节则可改变闸门信号周期。 图3所示电路将从图中标号为24的网络输出闸门信号。 图3.闸门信号发生器 3.3.3 电子开关与超声波换能器驱动电路 为使超声波发射换能器能在闸门开启时间内工作，需要将闸门信号调制到40KHz振荡信号上。由于闸门信号为负脉冲，需要用74HC04反相器转化为正脉冲后，对40KHz振荡信号用74HC00与非门进行调制，形成输出给换能器的信号。 为了使超声波发射换能器输出最大功率，需要在其两个电极上加反相信号，即使用类似BTL功放的桥式驱动方式。驱动电路使用了74HC04中剩余的3个反相器，故整个系统