基于超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、智能儀器儀表設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告單 位： 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 成 績(jī)： 設(shè)計(jì)時(shí)間：2013 年 5月指導(dǎo)老師提供的設(shè)計(jì)題目和要求1、 設(shè)計(jì)題目：基于超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路仿真設(shè)計(jì)2、 指導(dǎo)老師：3、 設(shè)計(jì)條件：1 仿真軟件可用multisim10軟件或者saber軟件。2 超聲波傳感器詳細(xì)參數(shù)：工作頻率：40khz1.0khz聲壓值：94db(30cm/10vrms sine wave)靈敏度：-82db/v/u bar(0db=v/pa)；余振：1.2ms；-6db方向性(度)：6010電容： 2000pf10%；最大輸入電壓(vp-p)：150(40

2、khz)使用溫度范圍：-35+80儲(chǔ)藏溫度范圍：-40+854、 設(shè)計(jì)要求：1 設(shè)計(jì)電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩部分。超聲波發(fā)射電路包括升壓激勵(lì)模塊。超聲波回波接收電路包括一級(jí)帶通濾波電路、二級(jí)帶通電路、回波二值化電路組成。2 當(dāng)在超聲波發(fā)射電路輸入端輸入vpp=5v，vmin=0v的方波信號(hào)時(shí)，超聲波發(fā)射電路輸出端能輸出vpp=100v150v，f=40khz的一個(gè)激勵(lì)信號(hào)。3 當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號(hào)。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出

3、高電平信號(hào)。4 附加要求：請(qǐng)用虛擬儀器顯示各個(gè)電路模塊輸入端信號(hào)及輸出端信號(hào)5、 參考書目1 胡向東，劉京誠，余成波等編著，傳感器與檢測(cè)技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社，20092 張國雄主編 測(cè)控電路 機(jī)械工業(yè)出版社，第4版1、 摘要 本次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩部分。超聲波發(fā)射電路包括升壓激勵(lì)模塊。超聲波回波接收電路包括一階低通濾波電路、二級(jí)低通電路、回波二值化電路組成。在本次應(yīng)用multisim10軟件仿真實(shí)驗(yàn)過程中我們用555定時(shí)器產(chǎn)生了05v的方波激勵(lì)信號(hào)，并通過升壓激勵(lì)電路最終能輸出vpp=100v150v，f=40khz的一個(gè)激勵(lì)信號(hào)。而當(dāng)在超聲波回波接收電路

4、輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號(hào)。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。二、相關(guān)電路概述及原理簡(jiǎn)介1、超聲波傳感器 超聲波發(fā)射與回波接收電路的主要作用是提高驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的脈沖電壓幅值，有效地進(jìn)行電聲轉(zhuǎn)換，增大超聲波的發(fā)射距離，并通過收發(fā)一體的超聲波傳感器將返回的超聲波轉(zhuǎn)變成微弱的電信號(hào)。超聲波發(fā)射與回波接收電路如圖3所示(畫出一路，其他三路與該路一樣)。圖1 超聲波發(fā)射原理圖 efr40rs是收發(fā)一體封閉(防水)型超聲波傳感器，其中心頻率f0=(40010)khz，-3 d

5、b帶寬1 khz。驅(qū)動(dòng)電壓峰一峰值要求60150 v。cd4052是雙路四選一模擬開關(guān)，單片機(jī)的p34和p35端口輸出選通信號(hào)，單片機(jī)的p33端口輸出一串40 khz的脈沖電壓，通過cd4052的x路加到選通的開關(guān)三極管q1基極，經(jīng)脈沖變壓器t1升壓至100 vp-p左右，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器efr40rs發(fā)射超聲波。發(fā)射時(shí)的脈沖電壓幅值大小直接影響測(cè)距的遠(yuǎn)近，應(yīng)采用超聲波專用的脈沖變壓器。反射回的超聲波經(jīng)原收發(fā)一體封閉型超聲波傳感器變成毫伏級(jí)的一串脈沖電信號(hào)。由于回波電信號(hào)的幅值小，vd3和vd4二極管截止，該信號(hào)不會(huì)通過t1變壓器副邊線圈形成短路。vd1和vd2二極管也截止，所以回波電信號(hào)經(jīng)r

6、1和c1，通過cd4052的y路送到超聲波電信號(hào)放大與整形電路。r1和vd1，vd2組成雙向限幅電路，避免發(fā)射時(shí)的大信號(hào)造成超聲波放大與整形電路阻塞，甚至損壞電路。 2、555定時(shí)器 555定時(shí)器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極性工藝制作的稱為555，用cmos工藝制作的稱為7555，除單定時(shí)器外，還有對(duì)應(yīng)的雙定時(shí)器 556/7556。555定時(shí)器的電源電壓范圍寬，可在4.5v16v工作，7555可在318v工作，輸出驅(qū)動(dòng)電流約為200ma，因而其輸出可與ttl、cmos或者模擬電路電平兼容。電路組成： 圖2 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路 用555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩

7、器電路如圖所示：圖中電容c、電阻r1和r2作為振蕩器的定時(shí)元件，決定著輸出矩形波正、負(fù)脈沖的寬度。定時(shí)器的觸發(fā)輸入端（2腳）和閥值輸入端（6腳）與電容相連；集電極開路輸出端（7腳）接r1、r2相連處，用以控制電容c的充、放電；外界控制輸入端（5腳）通過0.01uf電容接地。 多諧振蕩器的工作波形如圖所示，電路接通電源的瞬間，由于電容c來不及充電，vc=0v，所以555定時(shí)器狀態(tài)為1，輸出vo為高電平。同時(shí)，集電極輸出端（7腳）對(duì)地?cái)嚅_，電源vcc對(duì)電容c充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)i，此后，電路周而復(fù)始地產(chǎn)生周期性的輸出脈沖。多諧振蕩器兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間取決于rc充、放電回路的參數(shù)。暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間

8、，即輸出vo的正向脈沖寬度t10.7(r1+r2)c；暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間，即輸出vo的負(fù)向脈沖寬度t20 .7r2c。.圖3 多諧振蕩器的工作波形 因此，振蕩周期t=t1+t2=0.7(r1+2r2)c，振蕩頻率f=1/t。正向脈沖寬度t1與振蕩周期t之比稱矩形波的占空比，由上述條件可得d=（r1+r2）/（r1+2r2），若使r2r1，則d1/2，即輸出信號(hào)的正負(fù)向脈沖寬度相等的矩形波（方波）。電容器c放電所需的時(shí)間為：tpl=r*ln20.7*r；當(dāng)c放電結(jié)束時(shí)，t截止，vcc將通過r1、r2向電容器c充電，vc由vcc/3上升到2vcc/3所需的時(shí)間為:tph=(r1+r2)*c*ln20

9、.7*(r1+r2)*c；當(dāng)vc上升到2vcc/3時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到了一個(gè)周期性的方波，其頻率： f=1/(tpl+tph)1.43/(r1+2*r2)*c 555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時(shí)器廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、電子測(cè)量及自動(dòng)控制等方面。555定時(shí)器內(nèi)部包括兩個(gè)電壓比較器，三個(gè)等值串聯(lián)電阻，一個(gè)rs觸發(fā)器，一個(gè)放電管t及功率輸出級(jí)。它提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓vcc /3 和 2vcc /3。本次仿實(shí)驗(yàn)中我們將利用555定時(shí)器構(gòu)成的多協(xié)振蕩器產(chǎn)生脈沖信號(hào)。

10、如圖4所示。圖4 555定時(shí)器構(gòu)成的多協(xié)振蕩器參考圖多諧振蕩器應(yīng)用舉例：a.模擬聲響發(fā)生器：將兩個(gè)多諧振蕩器連接起來，前一個(gè)振蕩器的輸出接到后一個(gè)振蕩器的復(fù)位端，后一個(gè)振蕩器的輸出接到揚(yáng)聲器上。這樣，只有當(dāng)前一個(gè)振蕩器輸出高電平時(shí)，才驅(qū)動(dòng)后一個(gè)振蕩器振蕩,揚(yáng)聲器發(fā)聲；而前一個(gè)振蕩器輸出低電平時(shí)，導(dǎo)致后面振蕩器復(fù)位并停止震蕩,此時(shí)揚(yáng)聲器無音頻輸出。因此從揚(yáng)聲器中聽到間歇式的嗚.嗚聲響。b電壓頻率轉(zhuǎn)換器：由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器中，若定時(shí)器控制輸入端（5腳）不經(jīng)電容接地，而是外加一個(gè)可變的電壓源，則通過調(diào)節(jié)該電壓源的值，可以改變定時(shí)器觸發(fā)電位和閥值電位的大小。外加電壓越大，振蕩器輸出脈沖周期

11、越大，即頻率越低；外加電壓越小，振蕩器輸出脈沖周期越小，即頻率越高。這樣，多諧振蕩器就實(shí)現(xiàn)了將輸入電壓大小轉(zhuǎn)換成輸出頻率高低的電壓頻率轉(zhuǎn)換器的功能。3、低通濾波器 濾波器的工作原理是當(dāng)信號(hào)與噪聲分布在不同的頻帶中時(shí)，利用濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)有不同的衰減特點(diǎn)，從頻率域?qū)崿F(xiàn)信號(hào)分離。本次試驗(yàn)中采用無限增益多路反饋型濾波電路，它是一個(gè)由賦以多路反饋的理論上具有無限增益的運(yùn)算放大器構(gòu)成的濾波電路。圖2所示分別是一階有源低通濾波器和由單一運(yùn)算放大器構(gòu)成的無限增益多路反饋二階低通濾波電路的基本結(jié)構(gòu)。無限增益多路反饋二階低通濾波器參數(shù)如公式（1）。圖5 一階低通濾波器以及無限增益多路反饋低通濾波器 公式（1

12、）三、超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì)思路本次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路兩部分。根據(jù)超聲波傳感器相關(guān)資料我們了解到，超聲波傳感器的工作電壓是在100v150v，在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，我們利用一個(gè)2nf的電容代替超聲波傳感器，因此，我們需要在電容的一端輸出100v150v的電壓值，以滿足實(shí)際超聲波傳感器工作需要。由于超聲波傳感器是收發(fā)兩用傳感器，因此在發(fā)出超聲波的同時(shí)也會(huì)接收到一個(gè)60mv2v左右的信號(hào)作為反饋信號(hào)，但由于信號(hào)幅值較小同時(shí)包含噪聲，我們需要首先對(duì)其濾波放大。其次，由于設(shè)計(jì)需要，我們需要將該信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻品讲ㄐ盘?hào)。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射電路包括升壓激勵(lì)模

13、塊以及555定時(shí)器方波發(fā)生器模塊，而超聲波回波接收電路包括一級(jí)低通濾波電路、二級(jí)低通電路、回波二值化電路模塊。 當(dāng)在超聲波發(fā)射電路輸入端利用555定時(shí)器方波發(fā)生器輸入vpp=5v，vmin=0v的方波信號(hào)時(shí)，超聲波發(fā)射電路通過變壓器升壓使輸出端能輸出vpp=100v150v，f=40khz的一個(gè)輸出信號(hào)。另外，在本次試驗(yàn)中我們利用一個(gè)2nf的電容代替超聲波傳感器，因此，在輸出端輸出100v150v信號(hào)時(shí)，在另外的超聲波回波電路輸入端會(huì)接收到一個(gè)vpp=60mv2v，f=40khz的信號(hào)。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號(hào)時(shí)，我們利用兩級(jí)低通濾波器進(jìn)

14、行濾波，得到所需要的波段。然后利用比較器進(jìn)行二值化處理，當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。4、 超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路實(shí)際設(shè)計(jì)1、 超聲波發(fā)射電路部分在本次應(yīng)用multisim10軟件仿真設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，我們用555定時(shí)器產(chǎn)生05v的方波，并通過變壓器升壓激勵(lì)模塊將方波升壓為100v150v，f=40khz的一個(gè)輸出信號(hào)，然后通過輸出端輸出一個(gè)正弦信號(hào)。555定時(shí)器電路圖如圖5所示。發(fā)射端電路圖如圖6所示。 圖6 555定時(shí)器電路圖6 超聲波發(fā)射電路2、 超聲波回波接收電路部分超聲波回波接收電路包括一級(jí)有源低通濾波電路、無限增益多路反饋二

15、階低通濾波器、回波二值化電路組成。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出電平信號(hào)。當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。圖8 超聲波回波接收電路1）濾波電路部分設(shè)計(jì) 在超聲波回波接收電路中，本次仿真我們應(yīng)用了一個(gè)一階有源低通濾波器和兩個(gè)無限增益多路反饋二階低通濾波器進(jìn)行信號(hào)的濾波，將第一級(jí)低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率取為41khz而第二級(jí)為39khz，通過兩級(jí)濾波最終獲得f=40khz（左右）的正弦波信號(hào)。在本次設(shè)計(jì)中，我們利用濾波器設(shè)計(jì)軟件對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。 圖9 濾

16、波器參數(shù)設(shè)置2）二值化電路部分設(shè)計(jì) 在濾除干擾波形之后，采用了反向比較器的二值化電路，如圖11，其原理是在反向輸入端接入一個(gè)比較基準(zhǔn)電壓，通過電阻分壓后得到基準(zhǔn)電壓。然后利用濾波后的信號(hào)與其相比較，大于基準(zhǔn)值輸出為負(fù)值，小于基準(zhǔn)值輸出為正值。 圖10 二值化電路設(shè)計(jì)3） 超聲波回波接收電路兩種電路比較 為了能夠更好的達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果，我們借鑒資料設(shè)計(jì)了基于帶通濾波器的超聲波回波接收電路。這里，參數(shù)設(shè)計(jì)同時(shí)也是利用的濾波器設(shè)計(jì)軟件。 圖11 超聲波回波接收電路之二3、 protues軟件繪制的總體電路圖 為了使我們所設(shè)計(jì)的電路更具有可觀性，我們也利用課堂上學(xué)到的protues繪制仿真軟件將整體的電路

17、圖進(jìn)行了繪制。圖12 總體電路圖5、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 如圖12，為超聲波發(fā)射電路部分中應(yīng)用555定時(shí)器發(fā)生的幅值在05v范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)，并用虛擬示波器測(cè)得。通過multisim軟件仿真出來的數(shù)據(jù)結(jié)果，整體是比較滿意的，可以看出555定時(shí)器的仿真效果有達(dá)到我們預(yù)期。圖13 555定時(shí)器的仿真信號(hào)圖下列圖為由555定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過開關(guān)電路、升壓變壓電路等電路處理后的100v150v，f=40khz的一個(gè)近似正弦信號(hào)。但是在超聲波發(fā)生電路中的仿真我們可以看到有失真。通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的數(shù)值，我們可以看出如下變化：圖14 rv1=1k，超聲波發(fā)射電路輸出值變化圖15 rv1=10k，超聲波發(fā)射

18、電路輸出值變化 圖16 rv1=20k，超聲波發(fā)射電路輸出值變化 根據(jù)圖像我們可以得出通過調(diào)節(jié)rv1滑動(dòng)變阻器的阻值，可以將輸出波形調(diào)節(jié)的更加平滑，用以滿足我們所需的實(shí)驗(yàn)效果。通過進(jìn)一步的探索我們可以了解到不僅僅是rv1滑動(dòng)變阻器對(duì)輸出波形有影響，負(fù)載電阻r1以及震蕩電阻r2均會(huì)對(duì)輸出波形產(chǎn)生一定的影響。通過測(cè)試實(shí)驗(yàn)我們可知，在保證輸出波形較為平滑和完整的情況下，可以將負(fù)載電阻r1和震蕩電阻r2取大一點(diǎn)，以滿足仿真的需要。圖17是經(jīng)過超聲波模擬器件接收到輸出vpp=60mv2v，f=40khz的回波。由圖可知，其幅值約為1.168v，滿足我們的預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。證明發(fā)射部分仿真效果達(dá)到預(yù)期。圖17

19、 回波接收端信號(hào) 超聲波回波接收電路輸入端輸出vpp=60mv2v，f=40khz的正弦波信號(hào)，在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，我們用虛擬儀器模擬輸入一個(gè)滿足實(shí)驗(yàn)要求的正弦信號(hào)，如圖17紅線所示，其中藍(lán)線為一級(jí)低通濾波后的信號(hào)（幅值約為1.477v），紫線為二級(jí)低通濾波后的信號(hào)（幅值約為2.397v），綠線為三級(jí)無限增益多路反饋低通濾波器濾波后的信號(hào)（幅值約為2.261v）。 通過圖像顯示，我們可以看出效果放大和濾波效果均可以達(dá)到我們的預(yù)期，因此濾波器的設(shè)計(jì)滿足我們的實(shí)驗(yàn)需求。 圖18 各級(jí)濾波器信號(hào)效果 在二值化電路通過節(jié)點(diǎn)示波器采樣得到的信號(hào)圖（如下圖所示），我們可以看到其大致為一個(gè)三角波形，幅值在3.

20、458v4.074v之間。圖20 輸出信號(hào)效果圖 由輸入正弦波信號(hào)源信號(hào)與上圖信號(hào)比較我們可以看出，當(dāng)在超聲波回波接收電路輸入端輸入低電平信號(hào)時(shí)，超聲波回波接收電路輸出端能輸出高電平信號(hào)。圖21 超聲波回波接收電路輸出端信號(hào)與輸入端信號(hào)對(duì)比六、誤差分析 系統(tǒng)的誤差來源于多方面，由于系統(tǒng)使用了多傳感器進(jìn)行檢測(cè)，因此，每一個(gè)器件的性能都會(huì)影響到總體結(jié)果的準(zhǔn)確性，例如元件參數(shù)隨外界條件的變化而變化可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的誤差。而系統(tǒng)工作方式也會(huì)帶來誤差，單片機(jī)的工作頻率有限，造成對(duì)信號(hào)的影響以及計(jì)數(shù)存在著延遲，這也是誤差產(chǎn)生的一個(gè)方面。 以上誤差是不可避免的，而電路設(shè)計(jì)以及算法本身也可能存在誤差，在設(shè)計(jì)過程中，努力減小因這種方式造成的誤差從而保證系統(tǒng)精確度是很重要的。七、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過本次實(shí)驗(yàn)，我了解了基于超聲波傳感器的障礙物檢測(cè)電路仿真電路的基本構(gòu)成，基本了解了超聲波發(fā)射電路、超聲波回波接收電路以及各模塊和各傳感器的作用。在本次