超聲波測距總結(jié)報告-2

自03胡效赫2010012351電子技術(shù)實驗課程設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)總結(jié)報告自03胡效赫2010012351課題內(nèi)容及分析首先根據(jù)課程所給的幾個題目進(jìn)行選擇，由于自己最近在做電子設(shè)計大賽的平臺設(shè)計，希望對超聲波測距在定位方面應(yīng)用有更詳盡的了解，所以選擇課題三——超聲波測距作為課程設(shè)計，內(nèi)容如下： 對課題進(jìn)行分析：實驗提供超聲波傳感器T40-16和R40-16，利用面包板和小規(guī)模芯片搭接電路，實現(xiàn)距離的測量及顯示。大致思路即驅(qū)動發(fā)射端發(fā)出超聲波，接收端收到返回的脈沖進(jìn)行處理與計算得到測量距離并通過數(shù)碼管和蜂鳴器顯示。二、方案比較與選擇由于超聲波測距方案原理基本相同，只要能夠檢測出發(fā)射到接收的時間，并通過相應(yīng)計算就可以得到所測距離。所以問題大致分為驅(qū)動發(fā)射端、接收端檢測、間隔時間計算與計算結(jié)果顯示四部分。具體的方案設(shè)計如下：閘門脈沖源產(chǎn)生基準(zhǔn)寬度為T的閘門脈沖，該脈沖一方面控制計數(shù)電路的計數(shù)啟動和并產(chǎn)生計數(shù)器清零脈沖，使計數(shù)器從零開始對標(biāo)準(zhǔn)脈沖源輸出的時鐘脈沖（頻率為17KHz）計數(shù)。同時開啟控制門，超聲波振蕩器輸出的40kHz脈沖信號通過控制門，放大后送至超聲波換能器，由發(fā)射探頭轉(zhuǎn)換成聲波發(fā)射出去。該超聲波經(jīng)過一定的傳播時間，達(dá)到目標(biāo)并反射回來，被超聲波換能器的接收探頭接收變成電信號，經(jīng)放大、濾波、電壓比較和電平轉(zhuǎn)換后，還原成方波。圖中的脈沖前沿檢測電路檢測出第一個脈沖的前沿，輸出控制信號關(guān)閉計數(shù)器，使計數(shù)器停止計數(shù)。則計數(shù)器的計數(shù)值反映了超聲波從發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時間（或距離）。三、模塊化設(shè)計及參數(shù)估算1、閘門控制模塊設(shè)計思路 555振蕩電路產(chǎn)生頻率為2Hz的脈沖，作為閘門脈沖源。 RC微分電路將輸出的2Hz脈沖進(jìn)行微分運算產(chǎn)生脈沖信號，作為計數(shù)啟動和計數(shù)清零的信號，分別控制D觸發(fā)器的置高端和74LS90的清零端。參數(shù)設(shè)計：555振蕩電路T=(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取4.7kΩ，R2接入10kΩ滑動變阻器，最后實測7.51kΩ，C取47uF。 RC微分電路R為1kΩ，C為4.7nF 2、超聲波發(fā)生模塊設(shè)計思路555振蕩電路產(chǎn)生頻率為40kHz的脈沖，作為驅(qū)動超聲波發(fā)射端的基礎(chǔ)脈沖信號。 同時由2Hz閘門信號作為門控（高電平有效）。 再利用電壓比較器，對555脈沖信號進(jìn)行整形，而后輸出。參數(shù)設(shè)計555振蕩電路T=(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取2kΩ，R2接入1kΩ滑動變阻器，最后實測440Ω，C取10nF。3、超聲波接收模塊設(shè)計思路電壓放大電路，利用LF347放大超聲接收端信號電壓比較電路，利用電阻分壓設(shè)計閾值電壓VREF，當(dāng)沒有接收到信號時V-大于V+,輸出為負(fù)，當(dāng)接收到信號時V-小于V+,輸出為正。 穩(wěn)壓電路，電壓比較器輸出端接1kΩ電阻，反接5V穩(wěn)壓管接地，使沒有信號即輸出為負(fù)時，輸出-0.7V電平，有信號即輸出為正時，輸出5V電平。參數(shù)設(shè)計放大電路電阻值為1kΩ和750kΩ，放大倍數(shù)為750。電壓比較器VREF由100kΩ電阻和100kΩ的滑動變阻器分壓決定，最終滑動變阻器阻值取為5.68kΩ，VREF取值大致為-0.6V。4、計數(shù)控制模塊設(shè)計思路計數(shù)控制模塊由，計數(shù)啟動和計數(shù)停止控制組成。由D觸發(fā)器進(jìn)行實現(xiàn) 當(dāng)計數(shù)開始時閘門信號的微分電路給出低電平脈沖將Q置高，計數(shù)信號有效。而接收到回波后，接收信號由低變高，CLK產(chǎn)生上升沿將Q置低，計數(shù)信號關(guān)閉。5、計數(shù)模塊設(shè)計思路555振蕩電路產(chǎn)生17kHz的脈沖型號用來計數(shù) 三個74LS90級聯(lián)，采用十進(jìn)制接法計數(shù)，分別對應(yīng)米、分米、厘米。 計數(shù)信號控制源由計數(shù)控制模塊的D觸發(fā)器的Q信號給出 計數(shù)信號清零源由閘門控制信號的微分模塊經(jīng)由緩沖器后給出高脈沖清零。參數(shù)設(shè)計555振蕩電路T=(R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取5.1kΩ，R2接入47kΩ滑動變阻器，最后實測18.98kΩ，C取2.2nF。6、報警模塊設(shè)計思路令A(yù)[4]，B[4]，C[4]分別對應(yīng)米、分米、厘米，同時當(dāng)模塊計數(shù)時報警應(yīng)該無效，設(shè)D觸發(fā)器輸出信號為Q，則邏輯函數(shù)Alarm=A1’A0’B3’B2’B1’Q利用與非、或非及非邏輯運算搭接電路四、實驗電路總圖1、電路原理圖2、時序圖3、面包板布局五、實驗結(jié)果與實驗中出現(xiàn)的問題分析1、實驗結(jié)果 結(jié)果：基本要求及提高要求全部完成。其中四個地方用到了滑動變阻器分別是三個555的脈沖源（產(chǎn)生2Hz、17kHz和40kHz的方波）和接收模塊的電壓比較器閾值電壓VREF的確定。調(diào)試結(jié)果的各阻值已在模塊設(shè)計中標(biāo)明。2、實驗中出現(xiàn)的問題及分析 A．微分電路輸出信號的檢查 開始分模塊調(diào)試時，不會測量微分電路輸出的脈沖信號，然后不能確定問題出現(xiàn)在下級還是本級。經(jīng)過老師的提示，只要把示波器顯示的波形調(diào)到最粗最亮，調(diào)成相應(yīng)掃描速度，可以看到面板上有亮點間歇顯示。從而驗證微分電路輸出信號無誤，并且幅值正確。 B．?dāng)?shù)碼管顯示不穩(wěn)定 數(shù)碼管顯示不穩(wěn)定，多數(shù)原因是由于數(shù)字電路與模擬電路相互干擾，計數(shù)器中混有雜波和高頻信號。用示波器測量計數(shù)電路的74LS90的信號，發(fā)現(xiàn)有17kHz的雜波。首先將模擬地和數(shù)字地分開將555振蕩電路的地直接由引線接到學(xué)習(xí)機(jī)上，而后數(shù)碼管開始顯示，但仍不太穩(wěn)定。再在VCC和GND之間跨接0.1uF的電容濾掉雜波。之后數(shù)碼管穩(wěn)定顯示。 C．信號輸出不正確 D觸發(fā)器輸出電平Q在未接受到信號時應(yīng)該是低電平，但始終是高電平。開始時不確定前級各模塊的正確與否，有些停滯，之后確定前級信號正確，D觸發(fā)器接線正確，而輸出信號不對，則一定芯片的問題。換了芯片之后，輸出正常。六、收獲、體會和建議1、收獲與體會 本次實驗充分體會電路模塊設(shè)計與調(diào)試的過程，對于設(shè)計電路和測試電路的能力有了更一步的提升。 首先，搭接與調(diào)試電路時，應(yīng)該本著自頂向下逐步求精的原則，在理解原理并確定原理正確之后，先對于面包板的布局進(jìn)行規(guī)劃，把相應(yīng)的芯片測試后，插到相應(yīng)部分，保證后面搭接時方便并且思路清晰。 然后，按分模塊逐級搭接調(diào)試的原則測試電路，保證了每一級的輸入信號都是正確的后，如果輸出不正確，去檢查接線，接線正確后檢查芯片是否正常工作。 最后，發(fā)現(xiàn)信號干擾問題，嘗試用濾波，分離數(shù)字地和模擬地，以及簡單的搭接電容的方法，解決干擾。 依照上述方法調(diào)試電路，保持一顆正常心態(tài)，可以高效并且正確的完成問題。2、建議 由于整個實驗過程中只需要，測量接收波形的上升沿，所以對于模擬電路中波形整形處理部分現(xiàn)對簡單?，F(xiàn)提出以下課程建議： 建議老師將提高要求的測量距離改為高于3m，這樣同學(xué)們利用波形放大然后與閾值電壓比較的方法就不能實現(xiàn)了，因為相應(yīng)的雜波干擾也會隨之放大，沖過閾值電壓，影響結(jié)果。所以此時同學(xué)應(yīng)該使用選頻電路選出40kHz的波形，控制后面的計數(shù)模塊，對于模擬電路部分會有更高的鍛煉。附工作日志8月21日經(jīng)過周末的預(yù)習(xí)，查找了關(guān)于超聲傳感器的原理知識和超聲測距的相關(guān)內(nèi)容。分析了超聲測距的實現(xiàn)方案，并將電路分為各個模塊實現(xiàn)，每個模塊進(jìn)行了相應(yīng)仿真（但有些仿真結(jié)果不理想，待硬件實測）。本日上午首先針對超聲測距系統(tǒng)方案中的幾個模塊與同學(xué)進(jìn)行了討論，包括方波頻率的選擇與實現(xiàn)，閘門信號的實現(xiàn)與清零，以及面包板的布局合理性。而后首先搭接了三個555方波發(fā)生器。上午只搭接測試出了，40kHz的方波本日下午再次對于板子的規(guī)劃進(jìn)行思考，并大致劃分了區(qū)域，把相應(yīng)用到的芯片放到了相應(yīng)的位置。然后搭接測試出了2Hz方波。分別測試兩種方波的頻率均很穩(wěn)定，效果不錯。而后開始搭接超聲發(fā)射模塊的實現(xiàn)，將兩種頻率的方波進(jìn)行邏輯運算，經(jīng)由LS00，信號傳至運算放大器LF347，將信號與2.5V電壓值進(jìn)行比較，得到最終的大約0.5s驅(qū)動一次超聲波發(fā)射器的效果。但是遇到的問題是，當(dāng)2Hz和40kHz的方波共同輸入到LS00中時，對2Hz的方波進(jìn)行測量，示波器顯示的頻率很難穩(wěn)定下來，發(fā)現(xiàn)混有雜波，可能是40kHz的雜波，也可能是交流成分。進(jìn)行了各種測試，重新退到上一步驟，檢查芯片的問題，等等。但是問題并沒解決，后來懷疑是示波器測量可能不是很準(zhǔn)。直接測量最終運放發(fā)射的信號，發(fā)現(xiàn)效果正常。問題解決。而后進(jìn)行超聲接收信號接收處理的部分電路的搭接，以及觸發(fā)器電路的搭接。之后搭出17kHz的脈沖源后，下課。晚上又把數(shù)碼顯示和蜂鳴器部分搭出來了，明天分模塊測試。8月22日由于昨天已經(jīng)把各個模塊全部搭好，今天開始分模塊測試和模塊的聯(lián)調(diào)測試。今天下來調(diào)試結(jié)果：超聲波發(fā)射模塊調(diào)試通過正常運行，并且接收模塊可以接收到相應(yīng)信號，在示波器上顯示相應(yīng)波形。40kHz的555脈沖源正常，2Hz的555脈沖源正常，經(jīng)過LS00運算后，到LF347正常驅(qū)動T40-16，而相應(yīng)的R40-16接收到反射的超聲波信號后，產(chǎn)生較大幅值的波形（較之原有的干擾信號），可以通過放大，與閾值電壓比較后得到相應(yīng)的脈沖信號（沒有接收到信號時，信號為0，大于閾值電壓，最終輸出低電平信號-0.7V；接收到信號后，信號為負(fù)，小于閾值電壓，最終由于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸出高電平5V）。即，當(dāng)調(diào)整出較好的閾值電壓后接收到超聲信號后會產(chǎn)生相應(yīng)的上升沿信號。對于閘門信號的作用部分，由74LS74雙上升沿D觸發(fā)器來完成。對2Hz脈沖信號進(jìn)行微分運算，上升沿時給出正脈沖，經(jīng)由40106COMS施密特反相器可以得到一直是高電平閘門信號時給出低電平和一直是低電平閘門信號時給出高電平的信號。將LS74的置高端接前者信號，給出低電平脈沖時D觸發(fā)器被置高，而只有CLK信號給出上升沿后才能將D觸發(fā)器置低。?。。〉禽斎胄盘柖紲y出來了，輸出不對哎有木有所以明天LS74是重點哎有木有！??！而后是計數(shù)器顯示模塊，需要有17kHz的555脈沖源，搞定。與經(jīng)由閘門信號控制鎖存后的Q輸出端進(jìn)行邏輯運算（LS00），結(jié)果輸出到LS90中進(jìn)行計數(shù)并在數(shù)碼管中顯示。同時從計數(shù)的信號端中做組合邏輯實現(xiàn)低于0.2m時報警。同時計數(shù)器的清零信號由閘門信號微分運算后COMS施密特反相器整形后得到。開始沒有產(chǎn)生555脈沖信號的時候，將CLK和CLR用學(xué)習(xí)機(jī)模擬，效果很好，接上555后發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不穩(wěn)，有木有?。。∧M地和數(shù)字有干擾有木有?。。∠朕k法有木有?。?！數(shù)電電子技術(shù)實驗考核的時候就有這個問題木有解決，明天上午一定要解決有木有！??！8月23日今天來到實驗室后重新整理了思路，調(diào)整了心態(tài)。理清了各個模塊的作用關(guān)