模拟数字电路课程设计报告书超声波测距电路的设计(共18页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上电子技术基础课 程 设 计题目名称: 超声波测距仪 指导教师: 杨子康 学生班级: 2013级电气7班 学 号: 学生姓名: 王航 评语: 成绩: 重庆大学电气工程学院 2015年7月6日摘要在现代生活中,随着经济的快速发展,人们的需求也变得越来越多。而超声波测距仪的出现给广大的群众人民带来了很大的便利。指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,所以经常用超声波来测量距离,如测距仪和物体测量仪,超声波测距仪装置上有设置瞄点装置,只要把仪器对准要测量的目标,就会出现一点在测距仪的显示屏幕上,主要是通过声速来测量的,肉眼看不见射出的线。超声波测距仪用途有许许多多。比
2、如测绘地形图,建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等,在平时生活中用到的如超声波倒车提示、盲人拐杖等等。超声波测距仪它存在是有现实意义的,这不仅仅只是一个研究,更多的是能够帮助人们更加便利的生活。 目录一、设计目的二、设计要求 三、 超声波电路工作原理四、各部分参数计算及其波形4.1 超声波发射电路4.1.1 超声波脉冲信号发生器4.1.2 超声波载波信号发生器4.1.3 超声波驱动电路4.2 超声波接收电路4.2.1 超声波信号检测与放大4.2.2 信号比较电路4.2.3 时间测量电路4.2.4 计数电路脉冲发生器4.2.5 计数显示电路4.3 电源电路五、输出波形六、元器件说明及参数选择与
3、计算6.1 NJM4580双路运算放大器6.2二极管1N4148七、心得体会一、设计目的1、 掌握便携式超声波传感器、波形发生电路的性能与应用;2、 掌握常用运算放大电路、数字集成电路、555电路的功能和使用。二、设计要求1、应用于车辆倒车、盲人手杖等测距,携带方便。2、 三位LED数字动态显示车与障碍物之间的距离,距离测量范围为0.3-5m,测量精度为1cm。发挥部分具有蜂鸣提示音,小于1m时具有报警提示功能。三、超声波电路工作原理1. 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止
4、计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2,就是所谓的时间差测距法。四、各部分参数计算及其波形4.1超声波发射电路超声波测距电路采用555定时器U1成时基电路进行超声波发射工作。U2为超声波载波信号发生器,IC1构成超声波发射头驱动电路。因为超声波传感器的中心频率为40kHz,因此驱动发射头的信号也必须为40KHz,而且有一定的功率要求。理想情况下,驱动信号应该为占空比为1的方波,或者是正弦波形。在发射探头允许的电压范围内,驱动信号的幅值应尽量取大,以获得较大的发射功率,从而使系统具有大的测量范围。由555
5、时基电路及外围元件构成40kHz多谐振荡电路输出信号可以满足所有这些要求。调节时基电路中相关电阻的阻值,可以改变振荡频率,最终可以达到40kHz。所设计的电路理想工作电压为9V,工作电流可以达到40-50mA,采用独立的9V电源对555供电,可以增强超声波发射的能量和测量精度。4.1.1 超声波脉冲信号发生器由两块555集成电路组成。IC1(555)组成超声波脉冲信号发生器,工作周期计算公式如下,实际电路中由于元器件等误差,会有一些差别。 2脚(TRI),6脚(THR)是555输入端,3脚(OUT)为输出端,7脚(DIS)为放电端,8脚(VCC)接9V电源,电源通过R1,R2对C1进行充电。条
6、件: R1=10.57M、 R2=150K、 C1=0.01F 假设超声波测距电路能测得最大距离为10米,则波来回时间t=2s/v=20/340=58.8ms故IC1发射出的超声波的周期应大于58.8ms.放电时间常数:TL =0.69 x R2 x C1 =1 ms 充电时间常数为:TH = 0.69 x (R1 + R2) x C1 = 70 ms周期T=70ms58.8ms振荡频率f=1/(TH+TL)=14.29HZ4.1.2 超声波载波信号发生器U2组成超声波载波信号发生器,由U1输出的脉冲信号控制。通过VR1调节载波信号发生器的频率与占空比,C3为充放电电容。要产生40KHZ的超声
7、波振荡频率,周期T=0.025ms,当R4=1.5K,R3=8.2K时,确定电位器VR1的取值。条件: R3 =2K、 R4=16K、 C3=1000pF 条件: R3=2K、 R4=16K、 C=1000pF充电时间常数:TH1=0.69C3(R4+R3)放电时间常数:TL1=0.69C3R4由0.025msTH1+TL1得出R3=2K、 R4=16K足以产生40KHZ振荡频率的超声波。4.1.3 超声波驱动电路此电路对超声波起驱动作用,以致能够使超声波发射头能够发射出超声波,其中,C2起滤波作用。 仿真图有如下:4.2 超声波接收电路超声波接收电路包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换
8、电路三部分。由于经接收头变换后的正弦波电信号非常弱,因此必须经放大电路放大。正弦波信号需要变换为直流信号以判断是否有回波及回波的大小。 4.2.1 超声波信号检测与放大超声波接收头和U2A、U3A组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波。信号经U2A、U3A放大1000倍(60dB),第1级放大100倍(40dB),第2级放大10倍(20dB)。 由于一般的运算放大器需要正、负对称电源,而该装置电源用的是单电源(9V)供电,为保证其可靠工作,这里用 R10和R11进行分压, 这时在U2A、U3A的同相端有4.5V的中点电压,这样可以保证放大的交流信号的质量,不至于产生信号失真。C4、D3、
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