基于數(shù)模電的超聲波測(cè)距系統(tǒng)正文部分剖析.docVIP

西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文第一章 緒 論1.1 概述目前，超聲波測(cè)距系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在民用及國防工業(yè)中。例如，用超聲波測(cè)距系統(tǒng)可以探測(cè)海洋潛艇的方位、魚群以及確定海底暗礁等障礙物的形狀及方位；利用超聲波的傳播時(shí)間確定物體的長(zhǎng)度以及超聲波在固體里遇到障礙物產(chǎn)生的反射波來確定物體內(nèi)部損傷的位置以及狀態(tài)，稱之為無損探傷；利用超聲波測(cè)距系統(tǒng)輔助機(jī)器人確定自身位置，從而準(zhǔn)確避開障礙物，按照預(yù)定好的行進(jìn)方向來完成任務(wù)。另外還有應(yīng)用于液面探測(cè)、礦井探測(cè)、汽車報(bào)警、物位的測(cè)量等相關(guān)領(lǐng)域。超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要是利用超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)表現(xiàn)出來良好的性質(zhì)進(jìn)行距離測(cè)量的，與軍事、大型工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距等技術(shù)相比，這種檢測(cè)技術(shù)難度相對(duì)較小，成本低廉，不易受環(huán)境的限制，應(yīng)用起來比較方便、迅速、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能夠達(dá)到工業(yè)使用的要求，因此超聲波測(cè)距技術(shù)得以廣泛的推廣和應(yīng)用1-5。超聲波測(cè)距系統(tǒng)雖然被大量應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，但在低信噪比下測(cè)距精度較低，多個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng)共同工作的條件下會(huì)產(chǎn)生相互影響，另外測(cè)距的盲區(qū)比較大，這些固有的特點(diǎn)限制了其進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。在目前使用的超聲波測(cè)距技術(shù)中，應(yīng)用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脈沖回波檢測(cè)法，其原理是通過傳感器發(fā)射超聲波，并接收從被測(cè)目標(biāo)反射的回波信號(hào)，確定超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，然后再根據(jù)超聲波傳播速度，計(jì)算出超聲波傳感器于被測(cè)物體之間的距離。超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)種類繁雜，性能差異也很大。目前市場(chǎng)上主流的超聲波測(cè)距系統(tǒng)大多數(shù)是用單片機(jī)作為主控芯片，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且接收回波，控制通訊。但由于聲波的傳播速度會(huì)受到溫度及介質(zhì)的不同而產(chǎn)生變化，對(duì)于高精度要求的測(cè)量，基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)就需要對(duì)單片機(jī)內(nèi)部的程序參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，并下載到單片機(jī)內(nèi)。這在復(fù)雜環(huán)境條件下是很大的難題，因此基于模擬電路和數(shù)字電路的超聲波測(cè)距系統(tǒng)對(duì)比單片機(jī)系統(tǒng)有著相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，它可以通過在邏輯計(jì)算電路中增加可調(diào)電阻的方式對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。1.2 超聲波的特點(diǎn)當(dāng)物體產(chǎn)生震動(dòng)后會(huì)通過介質(zhì)產(chǎn)生聲波。聲波每秒振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，單位是赫茲。人耳能聽到的聲波頻率為2020000赫茲。當(dāng)聲波的頻率小于20赫茲或20000赫茲時(shí)，人便聽不見聲音了。因此，人們把頻率高于20000赫茲的聲波稱作“超聲波”6。超聲波和可以聽到的聲波本質(zhì)上都是機(jī)械震動(dòng)，都是以縱波的方式在介質(zhì)中傳播，但超聲波的頻率更高，波長(zhǎng)更短。超聲波在介質(zhì)中產(chǎn)生機(jī)械振蕩，傳播速度不及光波，但其縱向分辨率較高。超聲波對(duì)周圍環(huán)境中的色彩，光強(qiáng)，光線和電磁波不敏感，對(duì)于處于復(fù)雜環(huán)境的被測(cè)物如黑暗，電磁干擾，有毒等惡劣環(huán)境下超聲波基本不受環(huán)境的影響可以正常工作。超聲波在介質(zhì)中能量消耗較小，可以傳播更遠(yuǎn)的距離，聲波的傳播速度不受頻率的影響，所以軍事，工業(yè)，科技等很多方面都選擇超聲波測(cè)距系統(tǒng)并大量的運(yùn)用7-8。1.3 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的方法有很多，例如相位檢測(cè)，聲波幅值和渡越時(shí)間等檢測(cè)方法。這幾種檢測(cè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，相位檢測(cè)法相對(duì)其他方法精度高，但是檢測(cè)范圍較小，不能應(yīng)用與長(zhǎng)距離檢測(cè)，聲波幅值檢測(cè)法對(duì)反射波要求較高。所以通常條件下渡越時(shí)間檢測(cè)方法是最為常用的超聲波測(cè)距方法，在超聲波檢測(cè)技術(shù)中，最主要的是利用了超聲波反射、折射、衰減等物理特征來實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)。渡越時(shí)間檢測(cè)法基本的工作原理是：超聲波換能器由脈沖信號(hào)產(chǎn)生超聲波，通過介質(zhì)傳播到被測(cè)物體，形成反射波；超聲波傳感器檢測(cè)到反射波，并由傳感器把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過邏輯計(jì)算出超聲波在介質(zhì)中傳播的距離，利用公式： （1.1）就可以確定超聲波檢測(cè)設(shè)備到前方物體之間的距離。超聲波傳感器又分為自發(fā)自收傳感器和只有單獨(dú)的發(fā)射或接收功能的傳感器。本文采用的是一發(fā)一收的雙傳感器的設(shè)計(jì)，傳播介質(zhì)為空氣9-10，超聲波測(cè)距原理如圖1-1。圖1-1 超聲波測(cè)距原理圖渡越時(shí)間測(cè)量法：（1） 直接計(jì)數(shù)法發(fā)射一串超聲波脈沖，在發(fā)射脈沖串時(shí)開始計(jì)時(shí)，在超聲波接收器接收到反射信號(hào)時(shí)刻時(shí)停止計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)這段時(shí)間就是渡越時(shí)間。（2） 相位法發(fā)射裝置發(fā)射出一定頻率的正弦波，發(fā)出的聲波到達(dá)障礙物后產(chǎn)生反射波，接收端收到反射波，經(jīng)過放大電路放大，再與發(fā)射裝置的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行比較，測(cè)出兩個(gè)正弦電壓的相位差，跟據(jù)相位差就可測(cè)出距離。本設(shè)計(jì)采用了直接計(jì)數(shù)法，這種方法有點(diǎn)在于原理簡(jiǎn)單適用，電路成本較低。而測(cè)距精度方面也不遜于其他兩種測(cè)量方法。1.4 超聲波測(cè)距領(lǐng)域歷史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1929年，Sokolov首先提出用超聲波探查金屬物內(nèi)部缺陷的建議。相隔2年，1931年Mulhauser獲準(zhǔn)一項(xiàng)關(guān)于超聲檢測(cè)方法的德國專利，不過他并未做更多的工作。4年之后，1934年Sokolov首次發(fā)表了關(guān)于在液體槽子里用穿透法作實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果，他用了各種方法做了實(shí)驗(yàn)，用來檢測(cè)穿過試件的超聲能量，其中之一是用簡(jiǎn)單的光學(xué)方法觀 察液體表面由超聲波形成的波紋。德國人Beergmann在他的論著ULTRASONIC中，詳細(xì)的論述了有關(guān)超聲波的大量早期資料，該論著一直被認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作。 山東科技大學(xué)的王紅梅在高分辨力超聲測(cè)距系統(tǒng)的研究中研究了已有超聲波測(cè)距系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用超聲波多次發(fā)射，以多次測(cè)量的平均值作為測(cè)量值的方法提高超聲波測(cè)距精度，并使用了溫度補(bǔ)償聲速的方法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。為了提高儀器的分辨力，還采用了若干方法來減小隨機(jī)誤差。本文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量范圍1cm10cm，精度可達(dá)到0.5%，分辨率優(yōu)于0.1mm。1.6 論文研究?jī)?nèi)容本論文的研究?jī)?nèi)容是近距離超聲測(cè)距系統(tǒng)，具體指標(biāo)如下：（1） 量程：0.510m；（2） 電源：9VDC；（3） 聲道：2；（4） 超聲波頻率：40KHz；（5） 測(cè)量誤差：10cm；（6） 顯示方式：數(shù)碼管顯示。第二章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1） 本文設(shè)計(jì)的的超聲波測(cè)距系統(tǒng)由于是利用數(shù)模電知識(shí)，所以完全依靠邏輯電路進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)與計(jì)算。所以，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度很大程度上依賴硬件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括模擬和數(shù)字兩部分：模擬部分包括超聲發(fā)射電路、驅(qū)動(dòng)電路、接收電路、放大電路、比較電路；數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)顯示電路。硬件設(shè)計(jì)從成本和性能兩方面進(jìn)行考慮，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本合理，功能完善，穩(wěn)定性好。系統(tǒng)方案框圖如圖3-1所示。圖3-1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)方案框圖3.1 超聲波發(fā)射模塊根據(jù)超聲換能器產(chǎn)生超聲波的原理，超聲波換能器想要產(chǎn)生超聲波需要在換能器兩端加電平信號(hào)，當(dāng)信號(hào)頻率跟超聲波換能器的固有頻率相等時(shí)，超聲波換能器的輸出功率最大，靈敏度最高。因此發(fā)發(fā)射模塊的關(guān)鍵就是如何產(chǎn)生與超聲波換能器，也就是本設(shè)計(jì)選取的T/R40-16超聲波換能器固有頻率相等的電平信號(hào)。產(chǎn)生電平信號(hào)質(zhì)量的好壞跟振蕩電路的選擇有很大的關(guān)系，一般振蕩電路是由電阻、電感、電容等元件和電子器件組成。振蕩電路按頻率的高低可以分為超低頻（20Hz以下）、低頻（20Hz200KHz）、高頻（200KHz30MHz）和超高頻（10MHz350MHz）等幾種。由于T/R40-16的固有頻率為40KHz，所以超聲波驅(qū)動(dòng)電路的頻率應(yīng)盡量接近40KHz。但電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)會(huì)受到周圍環(huán)境溫度和自身放熱導(dǎo)致的溫度變化的影響，所以設(shè)計(jì)中采用了可調(diào)脈沖頻率的方式來抵消這種影響，使驅(qū)動(dòng)電路的頻率盡量接近超聲波換能器的固有頻率。超聲波換能器驅(qū)動(dòng)脈沖電路由兩塊555集成電路組成。組成超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器。如圖3-2所示。圖3-2 超聲波發(fā)射模塊其中IC1輸出信號(hào)控制IC2與其共同組成超聲波載波信號(hào)發(fā)生器，輸出1ms頻率40kHz，占空比50的脈沖，停止64ms。IC1的具體工作電路如圖3-3所示。圖3-3 IC1工作電路IC1輸出信號(hào)的計(jì)算公式如下：條件: R1=9.1M、 R2=150K、 C1=0.01F IC1輸出信號(hào)經(jīng)過IC3非門后輸入IC2如圖3-4所示。圖3-4 IC2工作電路IC2輸出信號(hào)計(jì)算公式如下：條件: R3 =1.5K、 R4=15K、 C3=1000pFIC3組成超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路，其工作電路如圖3-5所示。驅(qū)動(dòng)電路主要由五個(gè)非門組成，由于直接輸出的電壓信號(hào)時(shí)，電流很小，會(huì)導(dǎo)致功率不夠無法正常驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器，為了使超聲波傳感器的輸出功率達(dá)到最大，增加輸出功率，使傳感器的靈敏度達(dá)到最高。分別使用兩個(gè)非門在正向及反相端并聯(lián)，增大驅(qū)動(dòng)電流。圖3-5 超聲波換能器驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射模塊中主要使用了555、4069兩塊芯片和超聲波換能器T40-16。555作為使用最為普遍的定時(shí)振蕩器，自從其于1971年由Signetics Corporation發(fā)布后，在以后30年來被大量使用，并且延伸出相當(dāng)多的應(yīng)用電路在本次設(shè)計(jì)中我沒有使用比較先進(jìn)的基于CMOS技術(shù)的Timer IC如MOTORLA的MC1455，而是使用了原規(guī)格的NE555。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。3.2 超聲波接收電路超聲波接收頭和NJM4580D芯片組成超聲波信號(hào)的檢測(cè)和放大。反射回來的超聲波信號(hào)經(jīng)4580的2級(jí)放大1000倍（60dB），第1級(jí)放大100倍（40dB），第2級(jí)放大10倍（20dB）。由于一般的運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對(duì)稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9V）供電，為保證其可靠工作，這里用R10和R11進(jìn)行分壓，這時(shí)在4580的同相端有4.5V的中點(diǎn)電壓，這樣可以保證放大的交流信號(hào)的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號(hào)失真。其電路連接如圖3-10所示。圖3-10 反射信號(hào)放大電路連接圖3.3 信號(hào)比較電路由Ra、Rb、IC5（LM358）組成信號(hào)比較電路。電路連接及信號(hào)波形如圖3.12所示。圖3-12 信號(hào)比較電路其中：所以當(dāng)A點(diǎn)（IC5的反相端）過來的脈沖信號(hào)電壓高于0.4V時(shí)，B點(diǎn)電壓將由高電平1到低電平0。同時(shí)注意到在IC5的同相端接有電容C和二極管D，這是用來防止誤檢測(cè)而設(shè)置的.3.4 時(shí)間測(cè)量電路IC6（4011）組成R-S觸發(fā)器構(gòu)成時(shí)間測(cè)量電路?？梢钥闯?，在發(fā)出檢測(cè)脈沖時(shí)（A端為高電平），D端輸出高電平，當(dāng)收到反射回來的檢測(cè)脈沖時(shí)，C端由高變低，此時(shí)D端變?yōu)榈碗娖?，故輸出端D的高電平時(shí)間即為測(cè)試脈沖往返時(shí)間。原理如圖3-14，波形如圖3-15所示。圖3-14 時(shí)間檢測(cè)電路原理圖3-15 時(shí)間檢測(cè)電路波形圖3.5 計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)發(fā)出電路IC7（4069）組成計(jì)數(shù)脈沖電路，原理如圖3-16。3-16 計(jì)數(shù)脈沖電路原理其工作頻率f = 1/(2.2 x C x R)。電路頻率設(shè)計(jì)在17.2kHz左右。這個(gè)頻率是根據(jù)聲波在環(huán)境溫度為20 時(shí)的傳播速度為343.5m/s確定的。我們知道在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會(huì)有所改變，其關(guān)系為v331.5+0.6t,其中v的單位為m/s,t為環(huán)境溫度，單位為3有關(guān)計(jì)算如下：測(cè)量距離為1m的物體時(shí)，聲波的往返時(shí)間為：。這時(shí)計(jì)數(shù)器顯示應(yīng)為100，即1m，此時(shí)計(jì)數(shù)電路脈沖發(fā)生器的頻率。如電容C(即C14)為2200pF，此時(shí)電阻由于在不同的環(huán)境溫度下，聲波的傳播速度會(huì)不同，為適應(yīng)不同環(huán)境溫度下測(cè)量的需要，我們要求電阻R具有一定的調(diào)節(jié)范圍，這里用VR2,VR3進(jìn)行調(diào)節(jié)，其中VR2為粗調(diào)電阻，VR3為精調(diào)電阻。同樣我們可以算出在不同溫度下的計(jì)數(shù)脈沖頻率值。3.6 計(jì)數(shù)顯示電路 計(jì)數(shù)和顯示電路由IC6（4011）、IC7（4069）、IC8（4553）、IC9（4511）組成，原理如圖3-17所示25-27。圖3-17 計(jì)數(shù)顯示電路IC8（4553）是帶有鎖存功能的三位BCD掃描計(jì)數(shù)器，這里要簡(jiǎn)單介紹一下計(jì)數(shù)器的鎖存與清零的過程。A點(diǎn)波形即表現(xiàn)測(cè)試脈沖往返的時(shí)間，當(dāng)A點(diǎn)電位由低變高時(shí)，由于C13電壓不能突變，故B點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)IC6內(nèi)與非門被打開，IC8開始通過CLOCK腳計(jì)數(shù)；同樣當(dāng)A點(diǎn)電位由高變低時(shí)，由于C12電壓不能突變，故C點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鎖存脈沖信號(hào)使計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)被鎖存，同時(shí)IC6的有關(guān)與非門被關(guān)閉，IC8開始停止計(jì)數(shù)，完成計(jì)數(shù)過程。原理圖如圖3-18，波形圖如圖3-19。圖3-18 計(jì)數(shù)器鎖存與清零過程圖3-19 計(jì)數(shù)鎖存波形圖計(jì)數(shù)顯示電路主要是由兩塊芯片構(gòu)成：4553計(jì)數(shù)芯片和4511譯碼芯片，其中4553完成了這部分電路的大部分功能.圖3-20 4553外部引腳圖4.2 仿真發(fā)射模塊仿真電路如圖4-1。圖4-1 發(fā)射模塊仿真電路經(jīng)仿真后成功了產(chǎn)生了設(shè)計(jì)要求的驅(qū)動(dòng)波形。具體波形如圖4-2所示。圖4-2中，時(shí)間軸以20ms為單位，電壓軸以5V為單位，A、B曲線為超聲波驅(qū)動(dòng)電路輸出信號(hào)，C曲線為IC1輸出電壓信號(hào)，D曲線為IC2輸出電壓信號(hào)?？梢钥闯鲭娐坊具_(dá)到設(shè)計(jì)要求。放大、檢波、計(jì)時(shí)電路如圖4-3。因?yàn)椴荒苷业綄?shí)際電路使用的NJM4580D，仿真電路中使用了LM358N來代替，另外由于仿真電路不能測(cè)得超聲波信號(hào)，所以使用了一段正弦波來代替超聲波信號(hào)。圖4-3 放大、檢波、計(jì)時(shí)仿真電路結(jié) 論設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。在元件及調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試應(yīng)該不會(huì)太難，稍加調(diào)試應(yīng)該會(huì)正常工作。電路中除集成電路外，對(duì)各電子元件也無特別要求。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。參考文獻(xiàn)1 高克成超聲物位計(jì)現(xiàn)狀J聲學(xué)技術(shù)，2002, 22 田靜聲學(xué)-科學(xué)、技術(shù)與藝術(shù)N物理通報(bào)，2006, 63 許天增超聲傳輸特性和超聲傳感系統(tǒng)研究N廈門大學(xué)學(xué)報(bào)，2001, 24 董子和，李永輝超聲波測(cè)距系統(tǒng)的建立及其在汽車防撞系統(tǒng)的應(yīng)用J汽車電器，1997, 15 何希才傳感器及其應(yīng)用電路M電子工業(yè)出版社，2001: 138-1456 李啟虎進(jìn)入二十一世紀(jì)的聲納技術(shù)聲學(xué)學(xué)報(bào)N，200025(5): 385-3887 徐鈞，俞宏沛，李建成縱振換能器拓寬頻帶的方法綜述J聲學(xué)與電子工程，2003, 48 馮若超聲手冊(cè)M南京人學(xué)出版社，1999: 11-139 L Herofrth，HMwinter超聲的基本原理與應(yīng)用M上