電子與信息工程畢業(yè)論文超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p>　　本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計</p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子與信息工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p

2、><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　超聲波是指振動頻率大于20000Hz的聲波，和其他聲波一樣以縱波形式在介質(zhì)中傳播。但相比于與其他種類的

3、聲波，具有更高的頻率和更低的波長。正是由于超聲波的波長較短，使其在遇到障礙物時很難像其他聲波那樣能夠產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象，所以超聲波具有很好的方向性，且在遇到障礙物時基本上都產(chǎn)生反射。這為超聲波成為測距聲波提供了條件。</p><p>　　本次所采用的超聲波測距系統(tǒng)以測量超聲波的發(fā)射與反射的時間差作為測距的基本原理進行設(shè)計。系統(tǒng)主動向被測物體發(fā)出超聲波，通過測量發(fā)射波和反射波之間的間隔時間，計算出被測距離。<

4、/p><p>　　在具體設(shè)計電路時，由于電路整體所含元件較多，比較復(fù)雜，所以通過將整體電路分為發(fā)送部分、接收部分、計時顯示部分和報警部分分別進行電路設(shè)計，使復(fù)雜的電路分解為各個相對簡單的部分，同時對一些部分電路進行了優(yōu)化。在構(gòu)建實體電路時，采用平時較為常見的數(shù)字元器件進行電路的構(gòu)建，如555定時器、74LS74、74LS161等，減輕了購買元器件的壓力。在完成每部分電路的構(gòu)建后，對每部分電路進行了Multisim的仿

5、真和驗證，減少了失誤的發(fā)生。完成后的電路能夠顯示的最小計數(shù)單位為厘米的顯示值；且顯示的距離值能夠進行動態(tài)刷新，示數(shù)穩(wěn)定；當(dāng)物體進入到30cm的警報范圍并且繼續(xù)靠近時，能夠發(fā)出警報聲。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波測距；數(shù)字電路；Multisim仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The ultr

6、asound is a kind of sound wave which the frequency is higher than 20000Hz, just as much as other sound waves wave propagation in media form. Compared with other types of sound waves, the ultrasound has higher frequency a

7、nd lower wavelength. Because the ultrasound has shorter wavelength, it is difficult to produce diffraction when face the obstacles as obvious as other sound waves, so the ultrasound has good directional, and it always ge

8、nerate reflection when in the face of obstruction. T</p><p>　　The design use the time between the ultrasonic's emission and reflection wave to measure the distance. System takes the initiative to send ul

9、trasonic emission wave to the measured object, and measuring the interval between the reflected waves to calculate the measured distance. In the specific design of circuit, by sending the whole circuit divided into sendi

10、ng parts, receiving parts, time and display parts, alarm parts. So make the complex circle into a simple circle, and some parts were optimi</p><p>　　Key words: Ultrasonic Distance; digital circuit; Multisim

11、simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1超聲波在國外的發(fā)展

12、1</p><p>　　1.2超聲波在國內(nèi)的發(fā)展3</p><p>　　1.3超聲波測距的優(yōu)點4</p><p>　　1.4超聲波測距的前景4</p><p>　　第2章 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計5</p><p>　　2.1超聲波測距原理5</p><p>　　2.2總體思路設(shè)計5&

13、lt;/p><p>　　2.3超聲波傳感器6</p><p><b>　　2.4振蕩電路8</b></p><p>　　2.4.1 555定時器介紹8</p><p>　　2.4.2脈沖調(diào)制器10</p><p>　　2.3.3高頻振蕩器10</p><p>　　2.

14、5接收部分電路11</p><p>　　2.5.1負反饋放大11</p><p>　　2.5.2運算放大器12</p><p>　　2.6顯示及處理部分電路13</p><p>　　2.6.1控制部分13</p><p>　　2.6.2計數(shù)部分14</p><p>　　2.6.3顯示

15、部分15</p><p>　　2.7報警電路15</p><p>　　2.7.1測向電路15</p><p>　　2.7.2判斷電路17</p><p>　　第3章 各部分電路系統(tǒng)仿真18</p><p>　　3.1Multisim的介紹18</p><p>　　3.2發(fā)射部分仿真

16、19</p><p>　　3.3接收部分仿真21</p><p>　　3.4顯示處理部分仿真24</p><p>　　3.5報警部分仿真26</p><p><b>　　結(jié)論28</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b&g

17、t;　　參考文獻29</b></p><p>　　附錄 超聲波測距系統(tǒng)整體電路圖30</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　波是物體機械振動狀態(tài)的傳播形式。物體的振動是指物體在其平衡位置附近進行的往返運動。比如，鑼在經(jīng)敲擊后，就能夠振動，這種振動通過空氣介質(zhì)向周圍傳播，這便是聲波。超聲波就是聲波的

18、一種，它是指振動頻率大于20000Hz以上的,超出了人耳聽覺的上限頻率，它和可聞聲一樣都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，是一種能量的傳播形式，只不過相比于可聞聲波和次聲波，超聲波頻率更高，波長更短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。超聲波在介質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳規(guī)律與可聞聲波基本一樣。但是由于超聲波的波長較短，只有幾厘米，甚至還小，使超聲波在傳輸過程中遇到的障礙物的尺寸往往要比它的波長大好

19、多倍，超聲波很難繞過去，所以超聲波的衍射本領(lǐng)較差，使之在均勻的介質(zhì)中能夠定向直線傳播，并且超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。正是由于超聲波的這一特性，所以當(dāng)其遇到墻面、水面、金屬、樹木等物體時幾乎為全反射，反射回來的超聲波就可以被接收器收到，這樣就為超聲波測距創(chuàng)造了可能性。</p><p>　　超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)的非接觸式距離測量方法，不受光線、被測對象顏色等影響，相比

20、較與其它儀器而言更為衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，并且具有維護簡單、無污染、可靠性高、壽命長等特點?？蓮V泛的應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。且可在不同環(huán)境中進行距離準確度在線標定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度等。</p&g

21、t;<p>　　1.1超聲波在國外的發(fā)展</p><p>　　現(xiàn)在認為，超聲波最先是從1876年F.Galton的氣哨實驗開始，這是人類首次產(chǎn)生的高頻聲波。但是在以后的30年內(nèi)，人們對超聲波仍然了解的比較少，發(fā)展比較緩慢，對超聲波研究沒有受到人們的重視。接著在第一次世界大戰(zhàn)中，超聲波的研究開始慢慢的受到各國的重視。在這時期的法國人Langevin使用了一種晶體傳感器作為接收器，并用其在水下接收一些相

22、對低頻率的超聲波，并且提出是否可以使用超聲波來對水中的潛艇進行檢測或者在水下利用超聲波進行通信。</p><p>　　在1929年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Sokolov最先提出了利用超聲波探測檢測金屬物內(nèi)部是否存在缺陷的想法。在間隔兩年后，德國人Mulhauser獲準一項關(guān)于超聲檢測方法的德國專利，但是他沒有在這方面進行深入的探索研究。在1934年Sokolov發(fā)表了關(guān)于超聲波在液體槽子里用穿透法作實物試驗的結(jié)果，使用了多

23、種方法進行實驗，檢測穿過試驗物品的超聲波中含有的能量，在這些方法中最為簡單的是使用光學(xué)方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋的大小。</p><p>　　德國人Bergrnann發(fā)布了關(guān)于超聲波的經(jīng)典著作《uLTRAsoNIC》，在該著作中對超聲波早期的大量資料進行了詳細的論述，這本著作也一直被認為是超聲波領(lǐng)域中的經(jīng)典著作。美國的Firestone和英國的Sproulels兩人對超聲波脈沖回波探傷儀進行了首次介紹，并

24、使超聲波檢術(shù)發(fā)展到了更為重要的一個階段。在各種各樣的超聲波系統(tǒng)中，這是最為成功的一種檢測系統(tǒng)，因為它具有最廣泛的代表性，而且其檢測結(jié)果也是最容易解釋的。</p><p>　　圖1.1超聲波脈沖回波探傷示意圖</p><p>　　這種方法除了可用于手工檢測外，還可以和各種先進的系統(tǒng)進行聯(lián)用。直至當(dāng)前，在超聲無損檢測中，脈沖回波系統(tǒng)仍然是應(yīng)用最為廣泛的一種。</p><p&

25、gt;　　在50年代由于雷達的快速發(fā)展很大程度的促進了超聲波技術(shù)的發(fā)展；而后隨著電子技術(shù)的不斷快速發(fā)展，又加速了超聲波的發(fā)展，使其又有了一次快速的飛躍。從此超聲波被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療診斷、無損檢測及工業(yè)控制中。在60年代，隨著新材料新技術(shù)的應(yīng)用以及對超聲波的深入研究，產(chǎn)生了一些超過100GHz的超高頻超聲波，而且這些超高頻超聲波逐漸的在計算機技術(shù)、物理基礎(chǔ)研究和通信技術(shù)得到了應(yīng)用。</p><p>　　Figner

26、oaJ.F在1992年對超聲的回波提出了一種新的計時方法，利用相位和峰值進行相加獲得回波時延岡。利用這種測量方法可以達到18一34米的測量范圍，誤差精度可以達到2%。在2007年，HanneSElmer，在對高精度超聲波測距系統(tǒng)進行研究時使用了編碼信號，且對超聲波測距高分辨率的提高提供了方法。</p><p>　　在近幾年，隨著科技的快速發(fā)展，各種陶瓷壓電材料和微電子技術(shù)也隨之獲得了快速的發(fā)展，這些技術(shù)使得超聲波

27、的檢測技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。美國普力塞思公司研制了APRESYS超聲波測距儀，不僅實現(xiàn)了高速精確的長寬高測量而且還實現(xiàn)面積測量。加拿大柏威騰超聲波設(shè)備廠研制了各種超聲波測量及工業(yè)應(yīng)用設(shè)備。</p><p>　　1.2超聲波在國內(nèi)的發(fā)展</p><p>　　在我國，對于超聲波的研究起始于60年代，在此期間建立了分子聲學(xué)研究室，對超聲波進行了各種測量研究，設(shè)計了超聲波在固體的衰減測試儀等多種儀器。

28、于此同時對超聲波在醫(yī)療、探傷、顯示、加工等各個方面的探索研究都取得了一些長足的進步。</p><p>　　步入80年代后，我國對超聲波的研究也進入了一個快速發(fā)展的階段，且取得了一系列驕人的成績。高分子壓電PVDF型換能器和超聲顯微鏡能夠在實際中應(yīng)用，制造PVDF高分子壓電薄膜材料技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，國產(chǎn)B超探頭投入到實際的醫(yī)療應(yīng)用等。</p><p>　　近些年隨著中國工業(yè)自動化水平的不

29、斷提高，國內(nèi)對于超聲波技術(shù)水平的要求也在不斷的提高，使得國內(nèi)對超聲波的研究再次得到了快速的發(fā)展。</p><p>　　近些年來，國內(nèi)對于超聲波測距的研究也有較多的論述。1996年中國科學(xué)院上海聲學(xué)實驗室提出了一種雙頻超聲波測距的原理和方法。2000年，童峰、許肖梅等提出一種以均方誤差為觀察對象的LMS自適應(yīng)延時估計算法，這種算法極大的提高了超聲測距的可靠性，但是算法較為復(fù)雜，運算量大，不利于實時處理。中國測試技術(shù)

30、研究所的李茂山在《超聲波測距原理及實踐技術(shù)》一書中將超聲波在空氣中的傳播速度做為已知條件，測量出超聲波行在需要測量的測量距離所行進時間的超聲波測距原理。在文章中還對影響超聲波聲速的因素以及</p><p>　　圖1.2 理想狀態(tài)下的超聲波測距系統(tǒng)</p><p>　　聲波的傳輸特性進行了講解，并且描繪出了超聲波測距的各個步驟。中國海洋大學(xué)的曹玉華在《超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計及其在機器人模糊避障中

31、的應(yīng)用提出了用溫度補償?shù)姆椒y量聲速，進而提高超聲波測距精度。因超聲波的傳播速度在測距中對整個系統(tǒng)的精度起著重要的作用，且超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。用溫度補償來修正超聲波速度，從而減小溫度變化對距離測量精度的影響。該超聲波測距裝置在1.5m的測量范圍內(nèi)，測量誤差小于5cm。山東科技大學(xué)的王紅梅在《高分辨力超聲測距系統(tǒng)的研究》對現(xiàn)在已有超聲波測距進行了分析并評價了各自的優(yōu)缺點

32、，可以采用超聲波多次發(fā)射，以多次測量的平均值作為測量值的方法進行提高超聲波測距精度，并且用溫度補償?shù)姆椒ㄟM一步提高系統(tǒng)精度。同時為了提高儀器的分辨力，還可采用若干方法來減小隨機誤差。</p><p>　　1.3超聲波測距的優(yōu)點</p><p>　　從技術(shù)上看，超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀70年代已經(jīng)實用化，從70年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。超聲波檢測能夠快速、方便的進行測量，并且控制簡單，

33、在測量精度上也可以達到工業(yè)要求，并且相比于一些常規(guī)測量方式不能夠很好完成的地方都有著良好的應(yīng)用。 相比于傳統(tǒng)的常規(guī)測量超聲波在測距方面主要突出以下優(yōu)點：</p><p>　　1、應(yīng)用范圍廣泛，超聲波在氣體、液體和固體介質(zhì)中都能夠傳輸，所以在這些介質(zhì)當(dāng)中超聲波測距都能夠很好地應(yīng)用；</p><p>　　2、對環(huán)境要求低，超聲波對外界的電磁波、光線或粉塵都不是很

34、敏感，在這些環(huán)境中測量時可以大大的降低人員的勞動強度，減少人力成本；</p><p>　　3、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備價格低廉，維護方便，工作穩(wěn)定靠，很容易大規(guī)模工業(yè)化使用。</p><p>　　正是超聲波的這些特性優(yōu)點，使其在民用上，工業(yè)上、軍事上都有著廣泛的應(yīng)用。比如在民用上的自動泊車系統(tǒng)和倒車雷達系統(tǒng)等；工業(yè)上的超聲波探傷系統(tǒng)，自動化裝配、檢測、分類系統(tǒng)等；軍事上的潛艇聲納系統(tǒng)等

35、。</p><p>　　1.4超聲波測距的前景</p><p>　　隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)的應(yīng)用將會越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定的特點將會越來越受人們的青睞。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)將會越來越廣泛的應(yīng)用于人們的日常工作和生活之中。</p><p>　　雖然說現(xiàn)在人們利用的超聲波測距功能還十分有限。但相信隨著科技的不斷進步和發(fā)展，

36、超聲波測距儀將不僅僅只是用于測量距離，而會和自動化智能化接軌，與其他儀器設(shè)備組合在一起，成為多功能的測量儀器，從單純的判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，能夠自主創(chuàng)新。</p><p>　　總體來看雖說現(xiàn)階段我國在超聲波研究發(fā)面取得了許多驕人的成績，但在精度，穩(wěn)定性等方面和發(fā)達國家相比還是存在著不小的差距，國內(nèi)生產(chǎn)的許多超聲波儀器在精度上、穩(wěn)定性上都還不能滿足人們生產(chǎn)生活需求，都需要長期依賴于國外的進口。所以在超聲波研究

37、方面，國內(nèi)還需要不斷的進行探索研究。因此對于超聲波測距的研究具有非常重要的實時性和重要性。</p><p>　　第2章 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　本章主要介紹了超聲波測距系統(tǒng)的總體設(shè)計思路，并對各個部分的電路設(shè)計進行了具體的分析和設(shè)計。</p><p>　　2.1超聲波測距原理</p><p>　　本次設(shè)計所用的超聲波測距采

38、用的方法是通過測量超聲波在介質(zhì)中傳播的時間來計算出超聲波所傳播的距離從而計算出所要測量的距離。</p><p>　　超聲波發(fā)射器發(fā)射出超聲波經(jīng)過介質(zhì)傳播，在發(fā)射超聲波同時系統(tǒng)開始計時，當(dāng)超聲波遇到障礙物后反射回來，被超聲波接收器接收系統(tǒng)停止計時，這樣就可以由系統(tǒng)計算出超聲波在介質(zhì)中傳播的時間T。又已知超聲波在空氣中的傳播速度V，再由公式計算就可得知超聲波傳播的距離。</p><p>　　雖

39、然說這種測距方法比較容易，但相比于其他測量方式而言測量精度還是比較低。在測距過程中有較多的因素影響測距結(jié)果：</p><p>　　空氣溫度：空氣溫度對超聲波速度的影響最大，空氣每上升20℃，超聲波的檢測距離將會增加大約3.5%；</p><p>　　空氣濕度：空氣濕度對超聲波的影響也較大。隨著濕度的增加，超聲波檢測距離最大可以增加2%左右；</p><p>　　空氣

40、壓力：常規(guī)情況下大氣變化±5%將導(dǎo)致檢測范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5個大氣壓下使用沒有問題。</p><p>　　氣流：氣流對聲速也存在影響。在氣流速度較低的時候，對超聲波的聲速影響較小。但是在空氣渦流交多的情況下，比如一些檢測熱金屬檢測方面，超聲波檢測的精確度將會大大降低。</p><p>　　2.2 總體思路設(shè)計</p><p&

41、gt;　　本次設(shè)計主要采用數(shù)字元器件進行電路的設(shè)計。其整體的電路主要是由4大部分組成：一、超聲波的發(fā)射電路，負責(zé)產(chǎn)生40KHz的高頻信號并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槌暡ㄏ蚪橘|(zhì)發(fā)射，同時為計時部分提供開始信號首先由脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的一個一定寬度的閘門信號，在這個閘門信號內(nèi)超聲波振蕩器將產(chǎn)生一段40KHz高頻發(fā)射信號，這段信號在經(jīng)過放大電路的放大作用后送入超聲波換能器，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ㄐ盘?，然后向待測物體發(fā)射出該聲波信號。在脈沖調(diào)制器在產(chǎn)生一個閘門信號的

42、同時，脈沖調(diào)制器給計數(shù)電路發(fā)出一個啟動信號，使計數(shù)顯示電路在系統(tǒng)發(fā)射超聲波同時開始計時。；二、超聲波的接收電路，負責(zé)接收超聲波的回波，然后將接收到得物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，將其整形放大后，為控制部分提供停止的信號；三、?shù)值顯示及控制部分，負責(zé)對整個系統(tǒng)進行控制和計時顯示，將接收到的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭陀^的數(shù)字信號；四、報警部分，實時監(jiān)測探測距離，當(dāng)探測條件滿足報警條件時，發(fā)出警報。</p><p>　　圖2.1系統(tǒng)總設(shè)計

43、圖</p><p>　　超聲波發(fā)射部分主要工作原理為：首先由脈沖調(diào)制器產(chǎn)生的一個一定寬度的閘門信號，在這個閘門信號內(nèi)超聲波振蕩器將產(chǎn)生一段40KHz高頻發(fā)射信號，這段信號在經(jīng)過放大電路的放大作用后送入超聲波換能器，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁暡ㄐ盘枺缓笙虼郎y物體發(fā)射出該聲波信號。在脈沖調(diào)制器在產(chǎn)生一個閘門信號的同時，脈沖調(diào)制器給計數(shù)電路發(fā)出一個啟動信號，使計數(shù)顯示電路在系統(tǒng)發(fā)射超聲波同時開始計時。</p>&

44、lt;p>　　超聲波信號在經(jīng)過一段時間的傳播后，碰到待測物體反射回來，由超聲波換能器接收超聲波信號，將物理的超聲波信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)可識別的電信號，因為超聲波在經(jīng)過介質(zhì)中傳播和反射后，由于其能量衰減較快，所以反射波內(nèi)所含的能量及其微弱，需要將這個反射波信號進行放大和整形以作進一步處理，所以將這個反射波信號通過超聲波放大濾波器的放大和整形后，再送入到波形檢測單元進行檢測。當(dāng)檢測單元接收到反射回來的信號后，馬上給計數(shù)電路發(fā)送一個停止信號，

45、計時電路停止計數(shù)。</p><p>　　計數(shù)判斷電路在接到啟動信號后開始計數(shù)，在接收到停止信號后停止計時，將所獲得的時間除以二后乘以超聲波在空氣中傳播的速度后，獲得超聲波所傳播的距離。由于這個公式是固定的，所以可以通過設(shè)置一個固定的計時頻率，時計數(shù)部分可以顯示出超聲波在實際介質(zhì)中的傳播距離。</p><p>　　報警電路不停將當(dāng)前系統(tǒng)獲得探測距離與30厘米的門限值和前一時刻的探測距離進行比

46、較。當(dāng)發(fā)現(xiàn)探測距離小于30厘米且探測距離繼續(xù)減小時，發(fā)出報警。如果探測距離小于30厘米和探測距離繼續(xù)縮小這兩個條件沒有同時滿足，將不會發(fā)出報警。</p><p><b>　　2.3超聲波傳感器</b></p><p>　　如果依靠超聲波進行檢測，則需要產(chǎn)生超聲波發(fā)射波和感應(yīng)超聲波回波。擁有這些功能的元件為超聲波傳感器。超聲波傳感器是專門利用超聲波的特性研制而成的傳感器

47、。</p><p>　　超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。其核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有很多種。比如說：壓電晶體類的石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鐵晶體管鈮酸鋰等；壓電陶瓷類的鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。超聲波探頭的結(jié)構(gòu)可以分為很多種：直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探

48、頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。</p><p>　　超聲波傳感器主要由發(fā)射超聲波的發(fā)送傳感器和接收超聲波的接收傳感器組成。發(fā)射器傳感器由發(fā)送器與陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電壓振動能量轉(zhuǎn)換成超聲波能量并向空中發(fā)射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收由超聲波產(chǎn)生的機械振動，然后將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺儆煞糯蟛糠謱﹄娦盘栠M行放大，作為傳感器接收器的輸出。而

49、在實際使用中，陶瓷振子可以兩用： </p><p>　　即可以作為發(fā)送傳感器的陶瓷振子，也可以用做 圖2.2 超聲波傳感器</p><p>　　接收器傳感器社的陶瓷振子。超聲波傳感器的主要性能指標包括：</p><p>　　工作頻率：工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)輸入頻率和壓電晶片共振頻率相同時，轉(zhuǎn)換率最高，靈敏度最高；

50、</p><p>　　當(dāng)工作溫度：壓電材料的磁性轉(zhuǎn)變點比較高，所以普通小功率探頭工作時不需要配備特殊冷卻設(shè)備。只有當(dāng)探頭功率較大時才需要配備獨立的冷卻設(shè)備。</p><p>　　靈敏度：由晶片的制造工藝決定。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。</p><p>　　這次設(shè)計選用適于在空氣中傳播的超聲波傳感器類型，工作頻率為40KHz的T/R-40-12（其中T

51、表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，12表示其外徑尺寸，以毫米計）。該類型的傳感器具有價格便宜，構(gòu)造簡單，工作穩(wěn)定等優(yōu)點。</p><p>　　具體工作原理為：對發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片輸入40KHz高頻電壓，壓電陶瓷片根據(jù)所加高頻電壓極性伸長與縮短，發(fā)出40KHz頻率的超聲波，發(fā)出的超聲波以縱波形式進行傳播。發(fā)出的超聲波遇到被測物后返回并傳給接收器。接收器利用壓力傳感器的壓電效應(yīng)

52、，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件形狀發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因為產(chǎn)生的高頻信號電壓較小，所以需要對產(chǎn)生的信號進行進一步放大后才能進一步使用。</p><p>　　雖然說超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都或多或少存在一些缺點，比如說反射問題，噪音，交叉等問題。</p><p>　　反射問題：如果被探測

53、物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會獲得正確的角度。但在實際使用中，很多被探測物體都不能夠被放在正確的角度去獲得正確的結(jié)果。</p><p>　　噪音：雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠遠高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機在轉(zhuǎn)動過程會產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音等。</p><p><b>　

54、　2.4振蕩電路</b></p><p>　　振蕩電路主要包括脈沖調(diào)制部分和高頻振蕩部分，前者提供調(diào)制信號，后者提供高頻信號，兩者缺一不可。</p><p><b>　　圖2.3信號示意圖</b></p><p>　　2.4.1 555定時器介紹</p><p>　　為了使本次設(shè)計的電路具有較廣泛的應(yīng)用性，所

55、以選用目前大家廣泛應(yīng)用的元器件來進行電路的搭建。這樣不僅降低了電路的復(fù)雜度，而且降低了采購電路元件的難度。</p><p>　　在搭建振蕩電路時，選用目前廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域的555定時器。555定時器是一種多用途的數(shù)字－模擬混合的集成電路。它可以很方便地構(gòu)成多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。555定時器為雙極型產(chǎn)品，7555為CMOS型的產(chǎn)品，為了實際需求，又出現(xiàn)了雙極型556和CMOS型7556。盡管廠家不

56、同，但各種類型的555定時器的功能及外部引腳排列都是相同的。</p><p>　　圖2.4為國產(chǎn)雙極型定時器555的電路結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　555定時器主要由電壓比較器C1和C2；觸發(fā)器輸出緩沖器G3和G4；OC輸出的三極管TD組成。在組建電路時，通常R的取值在幾百歐姆到幾兆歐之間，電容的取值范圍為幾百皮法到幾百微法，計時的范圍為幾微妙到幾分鐘之間。但隨著計時寬度增大，其精度和穩(wěn)

57、定度則隨之下降。</p><p>　　圖2.4 555電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖2.5為555定時器各個管腳的定義：</p><p><b>　　1：接地端；</b></p><p><b>　　2：低電平觸發(fā)端；</b></p><p>　　3：輸出端，輸出電流可以

58、達到200mA，可以直接驅(qū)動一些發(fā)光二極管、指示燈、繼電器等，輸出的電壓比電源電壓要低1~3V左右；</p><p>　　4：復(fù)位端，若此端輸入一負脈沖，則觸發(fā)器直接復(fù)位，不用時加以高電平；</p><p>　　5：電壓控制端，此端可外加一電壓以改變比較器的參考電壓，不用是可懸空或通過0.01μF的電容接地；</p><p>　　6：高電平觸發(fā)端；

59、 圖2.5 555定時器管腳圖</p><p>　　7：放電端，當(dāng)觸發(fā)器的Q＝0時，TD導(dǎo)通，外接電容C通過此管放電；</p><p>　　8：電源端，可在5~18V范圍內(nèi)使用。</p><p>　　表2-1 555定時器功能表</p><p>　　2.4.2脈沖調(diào)制器</p>

60、<p>　　脈沖調(diào)制器的作用是每間隔一段時間產(chǎn)生寬度為1ms左右的閘門信號，在一個閘門信號內(nèi)含有一個高電平時期和一個低電平時期，只有處在閘門信號的高電平時期時，高頻振蕩器才能夠正常工作輸出高頻震蕩信號，使超聲波傳感器正常地發(fā)出超聲波信號。而在閘門信號的低電平時期時，高頻振蕩器將不工作，電路的輸出值為零，即超聲波傳感器不工作，不輸出超聲波信號。這樣使超聲波發(fā)射電路能夠間斷地發(fā)射超聲波信號，將發(fā)射信號分散到各個不同的時間段中，從而

61、避免了回波信號與發(fā)射信號的混淆。</p><p>　　脈沖調(diào)制器主要由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成。</p><p>　　圖2.6 555定時器接成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 2.7 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電壓波形圖</p><p>　　當(dāng)VI處于高電平時，電路的穩(wěn)定狀態(tài)為Vo＝0；當(dāng)VI脈沖下降沿到達時，Q＝1，Q ＝0，此時放電管TD截止，VCC

62、通過R給C充電，VC增加。當(dāng)VC≥2VCC/3時，Q＝0（V0＝0），Q ＝1，C通過TD放電。VI變成高電平，此時VC1和VC2輸出均為高電平，電路保持V0＝0。</p><p><b>　　其輸出脈寬為:</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　2.3.3高頻振蕩器</p>

63、;<p>　　高頻脈沖震蕩電路選擇用555定時器組成的多諧振蕩電路進行構(gòu)建</p><p>　　圖2.8 用555定時器組成的多諧振蕩電路 圖2.9 多諧振蕩電路電壓波形圖</p><p>　　將555計時器的VI1和VI2連在一起構(gòu)成施密特觸發(fā)器，在將V0經(jīng)RC積分電路接回輸入端，就能夠簡單的構(gòu)成一個多諧振蕩電路電路的振蕩頻率為：</p>

64、;<p>　　TPH=0.7*(R1+R2)*C （2-2）</p><p>　　TPL=0.7*R2*C （2-3）</p><p>　　T=TPL+TPH （2-4）</p>&l

65、t;p><b>　　（2-5）</b></p><p>　　通過上面的式子可以知道，可以通過改變R和C的值就可改變電路的振蕩頻率。</p><p>　　在進行具體電路搭建時，將高頻振蕩器的復(fù)位鍵連接到脈沖調(diào)制器的輸出端上。這樣使脈沖調(diào)制器在輸出低電平時，電路不工作，當(dāng)脈沖調(diào)制器輸出為高電平時，電路正常工作，產(chǎn)生一個高頻信號，使超聲波發(fā)射器產(chǎn)生發(fā)射信號。</

66、p><p><b>　　2.5接收部分電路</b></p><p>　　發(fā)射出的超聲波在經(jīng)過傳播、反射之后,振動幅度和功率將發(fā)生較大的衰減,大約只有1~2mV左右。而判斷電路正常工作大概需要5V左右的高電平才能進行判斷處理，所以需要對接收到的的信號進行300到500倍的放大后,才能送入判斷電路進行處理。本次方案采用目前廣泛應(yīng)用的運算放大器作為主要的電路元件進行電路的構(gòu)建。

67、</p><p>　　2.5.1負反饋放大</p><p>　　集成運算放大器是一種高電壓增益，高輸入電阻、低輸出電阻漂移小、可靠性高、體積小、重量輕、價格低的多級直接耦合放大電路。雖然說集成運算放大器具有開環(huán)的放大倍數(shù)比較高，結(jié)構(gòu)比較簡單，高帶寬等優(yōu)點，但是它在具體的實際應(yīng)用中卻存在工作不穩(wěn)定，對電壓敏感等許多問題，所以在這次設(shè)計中采用的是穩(wěn)定性較高的電壓并聯(lián)負反饋型電路對信號進行放大。

68、反饋的主要過程為：將放大電路輸出量（電壓或電流）的一部分或全部,通過某些元件或網(wǎng)絡(luò)（稱為反饋網(wǎng)絡(luò)）,反向送回到輸入端,影響原輸入量（電壓或電流）的過程。有反饋的放大電路稱為反饋放大電路,其組成框圖如圖所示。圖中A代表沒有反饋的放大電路,F代表反饋網(wǎng)絡(luò),符號代表信號的比較環(huán)節(jié):xi、xf、xid和xo分別表示電路的輸入量、反饋量、凈輸入量和輸出量,它們可以是電壓,也可以是電流。</p><p>　　圖2.10 反

69、饋組成框圖</p><p>　　雖然說在放大器中引入負反饋后降低了電路的放大倍數(shù),但卻使放大器的性能得到很大的改善，提高了電路放大增益的穩(wěn)定性，減少非線性失真。</p><p>　　圖2.11 電壓并聯(lián)負反饋電路的原理圖</p><p>　　圖2.11為電壓并聯(lián)負反饋電路的原理電路圖，其輸入量為ii，反饋量為if，凈輸入量為id。通過計算公式</p>

70、<p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　可得出放大倍數(shù) （2-8）</p><p>　　2.5.2運算放大器</p><p>　　具體的元件則采用目前廣泛

71、應(yīng)用的741和lm318運算放大器進行電路構(gòu)建。741運放是高增益運算放大器，廣泛的應(yīng)用于軍事，工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護和閉鎖自由運作，差模信號范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾娢?，而且相似類型的元件還具有廣泛的共同模式。</p><p>　　1腳和5腳為偏置(調(diào)零端)；</p><p><b>　　2腳為正向輸入端；</b><

72、/p><p><b>　　3腳為反向輸入端；</b></p><p><b>　　4腳接地；</b></p><p><b>　　6腳為輸出；</b></p><p><b>　　7腳接電源；</b></p><p><b>

73、　　8腳空腳。</b></p><p>　　圖2.12 741管腳</p><p>　　電壓比較器主要是由LM318構(gòu)成，LM318的管腳和相關(guān)功能同741。</p><p>　　由LM318構(gòu)成的電壓比較器在沒有收到放大電路的放大信號時，其輸出為低電平；當(dāng)接收到經(jīng)過放大電路放大過后的信號后，其輸出為高電平信號，該信號經(jīng)過電阻、二極管和40106施密特

74、反相器構(gòu)成的電平匹配電路后輸出信號電壓由原來的12V轉(zhuǎn)變?yōu)?V，控制計數(shù)器停止計數(shù)。這樣做可以濾除電平噪聲，極大地減小噪聲干擾。</p><p>　　2.6顯示及處理部分電路</p><p>　　電路的計時部分在系統(tǒng)發(fā)出發(fā)射信號的同時接收到啟動信號開始工作，一直到檢測到回波信號的同時終止工作，再由顯示部分顯示出超聲波在介質(zhì)中的傳播的距離。其主要組成可分為三個部分:電路控制部分、計數(shù)器部分和

75、顯示部分。</p><p><b>　　2.6.1控制部分</b></p><p>　　電路的控制部分主要作用是控制計數(shù)器的開始和停止。這次設(shè)計主要采用D觸發(fā)器74LS74進行搭建。</p><p>　　74LS74內(nèi)含兩個獨立的D上升沿雙d觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入D、置位輸入SD’復(fù)位輸入RD’、時鐘輸入CP和數(shù)據(jù)輸出Q和Q’。SD’、R

76、D’的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其它輸入端的電平無關(guān)。當(dāng)SD’、RD’均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送到輸出端。</p><p>　　表2-2 74LS74功能表</p><p>　　74LS74各引腳功能：</p><p>　　CLK1、CLK2：時鐘輸入端</p><p>　　D1、D2：數(shù)據(jù)輸入端

77、</p><p>　　Q1、Q2、Q1’、Q2’：輸出端</p><p>　　CLR1’、CLR2’：直接復(fù)位端</p><p>　　PR1’、PR2’：直接置位端</p><p>　　圖2.13 內(nèi)部及引腳示意圖</p><p>　　在具體搭建電路時將超聲波的發(fā)射信號輸入到74LS74的置位端PR上，將接收信號輸入到

78、74LS74的復(fù)位位端CLR上，將74LS74的數(shù)據(jù)端直接置位為1，在74LS74的時鐘輸入端輸入周期為0.1s的時鐘信號。由74ls74的功能表可得知，在0.1s的周期內(nèi)，當(dāng)發(fā)射信號輸入到置位端時，電路將輸出一個高電平信號，使計數(shù)電路可以進行計數(shù)，當(dāng)接收信號輸入到電路的復(fù)位端時，電路將輸出一個低電平信號，使計數(shù)端停止計數(shù)，顯示出所得計數(shù)值。</p><p><b>　　2.6.2計數(shù)部分</b&

79、gt;</p><p>　　電路的計數(shù)部分主要是由同步四位二進制計數(shù)器74LS161構(gòu)成。74LS161是具有異步置零、計數(shù)、預(yù)置數(shù)和保持功能的可編程集成中規(guī)模同步4位二進制加法計數(shù)器。單片74LS161計數(shù)芯片就可以通過一些簡單的搭建構(gòu)成16以內(nèi)的任意進制計數(shù)器，并且可以采用多個74LS161芯片進行級聯(lián)，構(gòu)成任意進制的的計數(shù)器。它可以靈活地運用在各種數(shù)字電路，以及單片機系統(tǒng)種實現(xiàn)分頻器等很多重要的方面。<

80、;/p><p>　　74LS161各管腳定義：</p><p><b>　　時鐘端CP；</b></p><p>　　四個數(shù)據(jù)輸入端D0~D3；</p><p><b>　　清零端CR’</b></p><p>　　使能端CTP、CTT；</p><p>

81、<b>　　置數(shù)端LD’；</b></p><p>　　數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3；</p><p><b>　　以及進位輸出CO。</b></p><p>　　圖2.14 74ls161管腳圖</p><p>　　表2-3 74ls161功能表</p><p>　　從74LS

82、161的功能表中可以知道，當(dāng)清零端CR為零的時候，計數(shù)器的輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的輸出全為零即清零功能。當(dāng)CR’=1且LD’=0時，那么CTP和CTT不管是何種狀態(tài)，當(dāng)CP信號處在上升沿時，74LS161輸出端的Q3、Q2、Q1、Q0輸出值分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3、D2、D1、D0的狀態(tài)一樣，為置數(shù)功能。當(dāng)CR’=LD’=1，CTP=0，CTT=1時，當(dāng)CP為上升沿時，輸出結(jié)果將保持原來的狀態(tài)不變。當(dāng)CR’=LD’=1，CTT=0

83、時，則無論CTP為什么狀態(tài)，當(dāng)CP為上升沿時，輸出結(jié)果將保持原來的狀態(tài)不變，但這時的進位CO的輸出為0。只有當(dāng)CR’=LD’=CTP=CTT=1時，CP為上升沿時，計數(shù)器加1。可以合理的應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，74LS161可以組成16進制以下的任意進制的分頻器</p><p>　　在具體的電路搭建時候，將會選擇三個74LS161計數(shù)芯片進行10進制的級聯(lián)，分別為米、分米、厘米的進行計數(shù)。為了能夠使顯示的

84、計數(shù)值為正確的測量距離值，設(shè)置一個合適的計數(shù)頻率進行計數(shù)以顯示出正確的測量距離。</p><p><b>　　2.6.3顯示部分</b></p><p>　　數(shù)碼管采用DCD_HEX共陰極數(shù)碼管，與其他普通的7段數(shù)碼管相比較更容易使用。因為DCD_HEX已經(jīng)內(nèi)含譯碼器，數(shù)字1到9和字母A到F就是相當(dāng)于其4位的二進制輸入。這樣不僅減少了電路的復(fù)雜程度，還使電路更加容易讀

85、懂。</p><p>　　由于存在一些特殊情況時，被測的物體可能會處在移動的狀態(tài)，為了能夠讓電路不停的對測量結(jié)果進行不停的刷新，在刷新時不會對整個電路產(chǎn)生過重的負擔(dān)，同時根據(jù)人眼的視覺暫留現(xiàn)象即人眼在某個視像消失后仍可以在該物體在視網(wǎng)膜上滯留0.1—0.4秒左右，使人眼看到數(shù)碼管的顯示穩(wěn)定的計數(shù)值，所以設(shè)定電路的刷新值為0.1秒，即10赫茲。</p><p><b>　　2.7報

86、警電路</b></p><p>　　在本次的設(shè)計中電路具有報警功能。當(dāng)系統(tǒng)探測到被測距離小于30厘米且繼續(xù)靠近時，系統(tǒng)就會發(fā)出警告，當(dāng)系統(tǒng)探測到被測距離大于30厘米或者遠離時系統(tǒng)將停止報警。該功能可使整個系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有非常廣泛的應(yīng)用。比如說汽車的倒車雷達，當(dāng)?shù)管嚴走_探測到車尾與其他物體距離過近時就會發(fā)出報警提醒車主；盲人導(dǎo)航儀，當(dāng)其探頭發(fā)現(xiàn)前面的障礙物時將向盲人發(fā)出警告，幫助盲人避開各種障礙物；

87、自動門，當(dāng)探頭發(fā)現(xiàn)門前一定距離有人時，將會向門發(fā)出信號，控制大門的打開等各種實際應(yīng)用。</p><p>　　在具體電路實現(xiàn)時，可以分為將這部分復(fù)雜的電路分為兩成兩塊簡單的電路進行實現(xiàn)。一部分是確定物體是正在遠離還是正在靠近的測向電路，另外一部分是判斷測量距離距離是否小于30厘米的判斷電路。</p><p><b>　　2.7.1測向電路</b></p>

88、<p>　　對于判斷物體是在靠近還是遠離的計算時，電路要對不同時刻的兩個測量數(shù)值進行比較，如果當(dāng)前測量的數(shù)值小于前一時刻的測量數(shù)值，則表示物體正在靠近，反之，物體則正在遠離。為了進行兩個數(shù)值的比較，則需要保存這兩個不同時刻的數(shù)值，并且需要對這兩個數(shù)值進行不斷的更新，確保比較結(jié)果的正確性。</p><p>　　在進行具體電路搭建時候選擇數(shù)值比較芯片74LS85對兩個不同時刻的測量值進行比較，用74LS16

89、1對兩個不同時刻的測量值進行存儲和刷新。</p><p>　　集成數(shù)字比較器74LS85是四位數(shù)字比較器。單片的74LS85能夠?qū)斎氲乃奈欢M制數(shù)值進行比較，兩片74LS85能夠?qū)斎氲陌宋欢M制數(shù)值進行比較，依此類推多片74LS85能夠?qū)?乘以N片的數(shù)據(jù)位數(shù)值進行比較。圖2.15為74LS85芯片各個管腳的定義。</p><p>　　74LS85各管腳功能：</p>&l

90、t;p>　　A0－A3：字A輸入端</p><p>　　B0－B3：字B輸入端</p><p>　　A＞B： A＞B級聯(lián)輸入端</p><p>　　A＝B： A＝B級聯(lián)輸入端 </p><p>　　A＜B： A＜B級聯(lián)輸入端 </p><p>　　FA＝B：A等于B輸出端</p><p>

91、　　FA＞B：A大于B輸出端</p><p>　　FA＜B：A小于B輸出端</p><p>　　圖2.15 74LS85管腳</p><p>　　表2-4 74LS85功能表</p><p>　　從功能表上可以看出輸入比較器的四位二進制數(shù)值A(chǔ)3A2A1A0和B3B2B1B0，是從最高位開始比較，如果A3>B3，則A一定大于B；反之，若

92、A3<B3，則一定有A小于B；若A3＝B3，則比較次高位A2和B2，依此類推直到比較到最低位，若各位均相等，則A=B。</p><p>　　從74LS161的功能表中可以知道，只要將74LS161的CR’置1，LD’置0，則當(dāng)CP信號為上升沿時，74LS161輸出端的Q3、Q2、Q1、Q0的輸出值分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3、D2、D1、D0的狀態(tài)一樣，為置數(shù)功能。所以只要為74LS161設(shè)置合理的時鐘頻率，就

93、能夠使74LS161有效的保存前后兩個不同時刻的測量值。</p><p>　　所以在實際電路搭建的時候只要將數(shù)字比較器74LS85的A和B兩個數(shù)值比較輸入口分別連接到74LS161的數(shù)據(jù)輸入端和數(shù)據(jù)輸出端，這樣就能夠?qū)η昂髢蓚€不同時刻的測量值進行比較。同時分別使用兩片74LS161和74LS85進行連接，一組74LS161和74LS85對厘米級數(shù)量值進行比較，另外一組對分米級數(shù)量級進行比較，將兩組芯片進行級聯(lián)就可

94、以正確的對不同時刻的數(shù)據(jù)進行比較。當(dāng)A＞B口輸出為高電平時就表示物體正在靠近，當(dāng)A＞B輸出為低電平時就表示物體正在遠離。</p><p><b>　　2.7.2判斷電路</b></p><p>　　判斷電路相對較為簡單，只需將分米級別的數(shù)值輸入到74LS85的A端輸入端，74LS85的B端輸入口的B3、B2接高電位其余接低電位即3的二進制代碼，當(dāng)輸入的測量值大于3分米

95、的時候，輸出端A＞B輸出高電平。當(dāng)小于3分米時則輸出為低電平。</p><p>　　最后，只要將測向電路的A＞B端口和判斷電路的A＞B口同時輸入到一個與門內(nèi)就可以完成整個系統(tǒng)的報警要求功能。當(dāng)探測距離小于30厘米警報距離且探測距離繼續(xù)在縮小時電路將輸出高電平，控制警報器工作發(fā)出警告提示；如果探測距離小于30厘米但是被測物體正在遠離則電路將輸出低電平，報警器不工作；如果距離大于30厘米，這不管被測物體是繼續(xù)靠近還是

96、遠離，都輸出低電平，報警器不工作。</p><p>　　第3章 各部分電路系統(tǒng)仿真</p><p>　　3.1Multisim的介紹</p><p>　　Multisim是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的專門用于電子電路仿真和設(shè)計的優(yōu)秀EDA軟件，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作,里面包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具

97、有豐富的仿真分析能力。</p><p>　　工程師們可以使用Multisim進行電路原理圖的搭建，并且在完成后可以對原理圖進行仿真。在軟件內(nèi)包含了SPICE仿真的多種內(nèi)容。工程師可以不必要非常深入的熟悉SPICE原理，就能夠進行仿真和分析，正是Multisim的這個特性使其也非常適合進行電子學(xué)的教育。</p><p>　　使用Multisim搭建電路具有非常好的靈活性。Multisim軟件

98、內(nèi)含有大量的元器件：包括基本元件、半導(dǎo)體元件、TTL和CMOS元件、集成運算放大器、ADC和DAC、射頻器件等，用戶也可通過元件編輯器，自行修改或創(chuàng)建新元件；另外Multisim還具有強大的虛擬儀表儀器：如萬用表、信號發(fā)生器、雙通道示波器、直流交流電源、如波特圖儀、字信號發(fā)生器、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、失真度測試儀、頻譜分析儀和網(wǎng)絡(luò)分析儀等；Multisim還提供了多種電路仿真分析方法：如靜態(tài)工作點分析、交流小信號分析、瞬態(tài)分析、靈敏度

99、分析、參數(shù)掃描分析、溫度掃描分析、傳輸函數(shù)分析、最壞情況分析、蒙特卡洛分析、批處理分析、噪聲指數(shù)分析、射頻分析等,而且還提供射頻電路仿真和數(shù)字、模擬混合電路的仿真。</p><p>　　Multisim的操作界面非常直觀，各種操作較為方便。整個操作界面與實驗工作臺相似，上面具有存放元件的元件庫和存放元件的儀器庫，能夠很方便的在界面上找到各種操作指令和分析仿真。</p><p>　　圖3.1

100、 Multisim操作界面</p><p><b>　　3.2發(fā)射部分仿真</b></p><p>　　圖3.2發(fā)射部分仿真</p><p>　　左邊的555定時器為脈沖調(diào)制電路每間隔一段時間產(chǎn)生一個一定寬度的閘門信號。電阻R值選擇為100歐姆，電容C值選擇為10uF，將這兩個數(shù)值代入公式（3-1）：</p><p>

101、<b>　?。?-1）</b></p><p>　　=1.1×100×10×10-6 ≈1ms</p><p>　　因此左邊部分輸出1ms左右的發(fā)射調(diào)制信號，左邊的函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生10Hz周期的脈沖，使得電路能夠在0.1S的周期內(nèi)輸出約為1ms左右的高電平，為右邊的高頻調(diào)制信號的發(fā)射做準備，如圖3.3：</p><p

102、><b>　　圖3.3閘門信號</b></p><p>　　右邊555定時器為高頻振蕩電路，負責(zé)產(chǎn)生40KHz的脈沖信號。將R1值選擇為6.1千歐姆，R2的值選擇為15千歐姆，電容值選擇為1納法拉，將這些值代入到所發(fā)射的頻率計算公式可得：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b&g

103、t;　　=</b></p><p>　　≈40.146KHz</p><p>　　在實際搭建電路時可以通過調(diào)節(jié)電阻R1和R2，可以方便地調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比；調(diào)節(jié)電容C1和C2，可以改變超聲脈沖的頻率。由于555計時器的輸出電壓較大為±12V，對超聲波探頭的驅(qū)動能力較強，所以高頻信號輸出后可以不經(jīng)過放大器作用直接驅(qū)動超聲波探頭正常工作。</p><

104、p>　　當(dāng)左邊的調(diào)制電路輸出高電平時，高頻振蕩電路將產(chǎn)生40KHz脈沖信號，如果閘門信號沒有高電平輸入則不工作。由于555定時器的輸出驅(qū)動能力較強，所以不需要經(jīng)過放大電路就可以直接連接超聲波探頭，使其正常工作。</p><p>　　圖3.4 40KHz高頻信號</p><p>　　上面波形為高頻振蕩電路產(chǎn)生的40KHz脈沖波，下面波形為脈沖調(diào)制電路產(chǎn)生的閘門信號。從此圖可以看出只有

105、在閘門信號內(nèi)，高頻振蕩電路才產(chǎn)生高頻脈沖驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，其余時間不產(chǎn)生脈沖驅(qū)動超聲波傳感器，這樣就可以減少因為持續(xù)發(fā)射超聲波信號使超聲波傳感器不能夠正確地分辨出發(fā)射波信號和回波信號而發(fā)生的錯誤。</p><p><b>　　3.3接收部分仿真</b></p><p>　　發(fā)射出的超聲波經(jīng)過傳播、反射之后,振動幅度發(fā)生了較大的衰減,大約只有1~2 mV左右。

106、而判斷電路需要大概5V左右的高電平才能進行判斷處理，所以需要對接收到的的信號進行300到500倍的放大后,才能送入判斷電路進行處理。</p><p>　　在經(jīng)過具體電路的搭建和測試后發(fā)現(xiàn)采用單級電路對信號進行大放不能符合條件。由于單級放大器放大倍數(shù)過大，使經(jīng)過放大后的信號產(chǎn)生比較嚴重的失真現(xiàn)象和不穩(wěn)定情況。</p><p>　　圖3.5單級放大500倍</p><p&g

107、t;　　圖3.6 單級放大后的不穩(wěn)定現(xiàn)象</p><p>　　從圖中可以看出：將圖中的電阻值代入公式（2-8）可得Auf=Rf/R1=500/1=500。即單級</p><p>　　直接采用741放大500倍，但由于單級倍數(shù)放大過多，從仿真圖中可以看出放大后的信號失真且不穩(wěn)定。所以雖然單級放大的電路結(jié)構(gòu)較為簡單，但不符合實際的應(yīng)用，所以放棄這種方案。</p><p&g

108、t;　　圖3.7 接收部分電路</p><p>　　因為單級放大不符合要求，故采用三級放大結(jié)構(gòu)。雖然增加了電路的復(fù)雜度，但失真和不穩(wěn)定的情況大大的降低了，用以增加電路工作的穩(wěn)定性和準確性。左邊的3個741為前三級放大電路?，F(xiàn)輸入一個2mV的40KHz脈沖信號進行仿真，使用示波器對每一級輸出的波形進行檢測。可以根據(jù)式子（2-8）計算出具體的放大倍數(shù)為：</p><p>　　圖3.8 第一級

109、放大5倍</p><p>　　第一級放大倍數(shù)A1=50K/10K=5。從仿真圖中也可以看出，電壓由原來的10mV經(jīng)放大為變?yōu)?0mV左右。放大了大約5倍。</p><p>　　圖3.9第二級放大10倍</p><p>　　第二級放大倍數(shù)A2=100K/10K=10。從仿真圖中也可以看出，電壓由原來的50mV經(jīng)放大為變?yōu)?00mV左右。放大了大約10倍。</p&

110、gt;<p>　　圖3.10 第三級放大10倍</p><p>　　第三級放大倍數(shù)；A3=100K/10K=10。從仿真圖中也可以看出，電壓由原來的500mV經(jīng)放大為變?yōu)?V左右。放大了大約10倍。</p><p>　　總放大倍數(shù)為A=A1*A2*A3=5*10*10=500。在接收到2~5mv的反饋信號后，經(jīng)過放大電路的三級放大后能夠達到5V~10V左右的輸出電壓，然后可以