南昌航空大学学士学位超声波毕业论文范文模板参考资料-超声波测距系统硬件设计方案与实现思路

南昌航空大学学士学位超声波毕业论文范文模板参考资料-超声波测距系统硬件设计方案与实现思路内容摘要：

计上比方案二较为简单。 另外，通过由二极管和电容构成峰值检波电路以及运放和三极管构成电平转换电路，其实现上较为简单，成本也较低。 在此方案中要求在峰值检波时要考虑延时时间的合理取值，而且在运放选择时一定要使用高速型运放，这样当接收到回波信号时，就能很快转换好，使得测量的时间较为准确。 在本系统设计过程中，经过综合考虑和比较后，最终采用了方案三来实现超声波测距硬件系统的设计。 南昌航空大学学士学位论文 12 第四章 超声波测距系统硬件设计思路及调试 设计要求 利用超声波换能器和单片机设计 一种 非接触式测距仪， 该装置 的测量距离为4CM4M，并且具 有 温度补偿 、 测量 准确、 性能 可靠性等优 点。 掌握超声波传感器的工作原理并设计 超声波发射器与接收器的工作电路。 测量距离为 4CM4M，测量误差 ≤ 1CM。 温度补偿范围： 20 500C。 实时显示实测 距离、 温度。 超声波测距系统的结构框图 通过对方案的比较和论证及设计要求的领会，将超声波测距仪硬件设计电路分成了：超声波产生电路模块、驱动电路模块、超声波接收放大电路模块、峰值检波模块、电压比较模块、电平转换、温度补偿模块、数据采集系统控制模块和数码显示这九个模块来实现。 最后制订了本次毕业设计超声波测距系统的硬件结构 框图，如图 所示： 接收 渡越 时间 按键控制 发射 温度 补偿 图 超声波测距系统的基本组成 计时 驱动发射电路 信号接收 及放大电路 峰值检波 及电平变换 单 片 机 数 据 采 集 系 统 控 制 超声波 发射器 超声波 接收器 温度测量电路 数 码 显 示 南昌航空大学学士学位论文 13 各功能模块电路介绍 超声波产生电路 在本系统中利用 555 定时器构成多谐振荡器产生 40KHz 的超声波。 图 为 555定时器构成的多谐振荡器，复位端 4由单片机的 口控制，当单片机给低电平时，电路停振；当单片机给高电平时电路起振。 接通电源后，电容 C2 来不及充电， 6 脚电压 Uc=0，则 U1=1,555 芯片内部的三极管 VT处于截止状态。 这时 Vcc 经过 R3 和 R2向 C2 充电，当充至 Uc=2/3Vcc 时，输出翻转 U1 =0， VT 导通；这时电容 C2 经 R2和VT放电，当降至 Uc=1/3Vcc 时 ，输出翻转 U1=1。 C2 放电终止、又重新开始充电，周而复始，形成振荡。 其振荡周期与充电时间 tPH和放电时间 tPL有关，振荡周期为：  P H P L 3 2 2T = t + t 0. 7 R + 2R C （ ） （ ） 由公式 可知， 555 多谐振荡器的振荡频率由 R2,R3,C2 来确定 [12]。 在电路设计时，先确定 C2,R2 的取值，即 C2=3300pf， R2= KΩ。 再将 C2 和 R2的值带入公式 中可知： 为了方便在实验过程中使得 555 芯片的 3 脚输出 40KHz 的信号，在这里将其用 10 KΩ 的电位器代替。 为了增大 U1的输出功率，将 555 芯片的 8 脚接 +12v 的电压，同时将其复位端 4接高电平，使用示波器观察 555芯片 3脚的输出波形，如图 所示。 通过调节电位器 R3 的阻值，使其输出波形的频率为 40KHz，这样就完成了超声波产生电路。    3 2 21. 4311 402P H P Lf KH zT tt R R C    32312 331. 43 221. 43 2 2. 7 1033 00 10 40 105. 4 10RRCf       南昌航空大学学士学位论文 14 图 555 构成的多谐振荡器电路 图 555 芯片 3 脚的输出波形 驱动电路模块 超声波驱动电路是由门电路组成的传感器振荡发 射电路， 其输人信号由 555 定时器构成的多谐振荡器提供。 超声波发射器由 5个成对的 CMOS 反相器 CD4069 驱动。 输出级实际上属于全桥式接法， 使发射器有效电压增倍，电路图如图 所示。 在暂停发送期间，电容 C3 用于阻塞输人电流中的直流成分， 起到保护超声波发射器的作用。 为使发送器得到最大的能量， CD4069 采用了 12V 电压驱动。 加在超声波发射器上的信号应为 0～ +12V 的脉冲信号。 每路信号经过两个并联的非门是为了增加电流驱动能力。 非门采用 CMOS 产品，因为其功耗小，抗干扰能力强， 驱动能力强。 该电路 原理简单， 连线方便，价格又相对便宜 [13]。 同时通过在输入端加一上拉电阻R4来增大 40KHz 方波信号的电流，从而也增大了发射功率。 上拉电流的大小为： 南昌航空大学学士学位论文 15 图 超声波驱动电路 接收放大电路模块 超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信号，由于该信号幅度较小 (几到几十毫伏 )，因此须由低噪声放大、 40kHz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，使得干扰成分较 少，其电路图如图。 在此电路中，为了防止在超声波接收器上始终加有一直流信号让其工作导致传感器的寿命缩短，从而加上一隔值电容 C4，同时 C4和 R5也构成了一滤波电路。 在此电路中，放大部分采用的是高速型运放 TL084。 在综合考虑了反相放大器、同相放大器和测量放大器的优缺点后，最终选择了同相放大电路。 因为同相放大电路的理想输入阻抗 Rin=∞，理想输出阻抗 Rout=0，其带负载能力较强等诸多因素，所以选择此电路。 在此电路中，根据同相放大器的闭环增益公式： () 因为接收到的信号幅度为几到几十毫伏，所以需要将其放大 400多倍使得其接收到的40KHz信号不会被干扰信号给掩盖。 为了防止引起运算放大器的自激振荡，在第一级放大电路中， R7取值为 470KΩ ,R8取值为 10 KΩ ,其增益放大 : 31 12 1 .21 0 1 0I m A3 31 7 4 7 0 1 01 1 4 88 1 0 1 0RAf R     1 RfAf Rr南昌航空大学学士学位论文 16 在第二级放大电路中， R11和 R12的取值分别为 100 KΩ、 10 KΩ，其放大增益： 其两级增益： 12 48 11 528Af Af Af    。 同时根据公式 ，计算出同相放大器的平衡电阻 R6和 R10，在这里 R6和 R10的取值均为 10 KΩ。 同相放大器平衡电阻公式为： （ ） 由公式 ，在图 ,C5和电阻 R9构成了一阶滤波电路。 图 接收放大电路 峰值检波模块 当信号经过了接收放大模块电路后，其输出信号 V2 为 40KHz 的交流信号。 因为交流信号无法由单片机来处理，所以应将交流信号转化为直流信号。 在硬件的设计中，主要是通过电解电容 C7 的充放电来将 40KHz 的交流信号转为直流信号，在本 系统中采用的是由检波二极管 IN60 和 1uf 的电容来实现该功能。 通过公式 和 来分别计算其充电时间 Г 1和放电时间Г 2。 同时要求其放电时间Г 2 ≥ 25us，这样才能保证峰值检波电路将 40KHz 的交流信号转化成直流信号。 其峰值检波电路如图。 12DRC  () 61 12 0 1 10 12 0 s    Rf RrRp Rf Rr 3 32 1 0 0 1 0111 1 1 112 1 0 1 0RAf R     南昌航空大学学士学位论文 17 2 1 2()DDR R C    ()   62 12 0 12 0 1 10 24 0 s 25 s       满足设计要求。 （其中 RD1,RD2分别为二极管的正向导通电阻值为 120Ω） 电压比较器模块 超声波传感器所接收到的信号经过放大和峰值检波后变为直流信号，为了判断其是否接收到的回波信号。 同时因为比较器不需要相位补偿，故适用于高速工作。 为了判断超声回波信号前沿以进行渡越时间 t 的测定而设置一定的门限电压， 但由于每次测距的回波信号的峰值不同，当选取一定的门限电压时，如果门限值设置过高，会造成信号的漏触发，但也不能设置过低，否则会造成噪声信号的误触发。 由于超声波在空气中传输时不可避免引入干扰，则比较基准电平时利用电位器调节电压，消除干扰。 经过多次测量并使用示波器观察峰值检波电路的输出电平，最终将门限电压设置为1V，其实验电路如图 所示。 在此电路中，采用 TL084 中的其他两个运算放大器。 当超声波接收到信号时其比较器的输出电压 V4 为 +12V；当没有接收到信号时，其比较器的输出电压 V4 为 12V。 图 峰值检波电路 南昌航空大学学士学位论文 18 电平转换模块 当超声波传感器接收端接收到信号时，其比较器的输出电压为 +12V；当没有接收到信号时，其比较其的输出电压为 12V。 因为单片机 STC89C52 的高低电平为 0～6V 左右，所以比较器输出的电压不能直接送给单片机去处理。 因此可以通过采用三极管的截止与饱和两种状态将 177。 12V的电压信号转化为单片机能够处理的信号，其设计电路如图 所示，在此电路中 Vcc 接 5V电源。 当超声波传感器的接收端接收到回波信号时，其 V3 的电压为 +12V，这时三极管 9013 处于饱和状态， 口的电压为低电平（ 左右） ，发光二极管点亮；当没有接收到回波信号时，其 V3 的电压为 12V，这时因为三极管的 Ube=12V，所以三极管处于截止状态，此时 口为高电平（ ），发光二极管熄灭。 其中电阻 R15 和 R16 均为限流电阻，其电流值为：。 图 电压比较电路 图 电平转换电路 32 5 0 .5 m A1 0 1 0I 南昌航空大学学士学位论文 19 温度测量模块 在常温下 ， 超声波的传播速度为 340m / s， 但其传播速度 V易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响 ， 其中温度的影响最大。 由式子 1℃ ， 声速增加约为 / s。 表 2为超声波在不同温度下的波速值。 表 2 波速与温度关系表 温度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 40 波速（ m/s） 313 319 325 332 338 344 350 388 由表 2可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。 为了得到较为精确的测量结果 ， 必须对波速进行温度补偿。 本文采用 DS18B20检测现场温度 ， 用以实现实际波速的校准。 目前 ， 大多数温度测控系统在进行温度测量时 ， 通常采用模拟式温度敏感元件 ：如热电阻、热电偶、红外测温仪等 ， 将温度转化为电信号 ， 经过信号放大电路放大到合适的范围 ， 再由 A /D转换器转换为数字量。 此种形式 的温度测量结构复杂 ， 调试繁锁 ， 测量精度易受元器件参数影响。 DS18B20是 Dallas公司开发的 12W ire (单总线 )高精度数字式半导体温度传感器。 它具有节省系统 I/O口线资源 ， 结构简单 ， 成本低廉 ， 精确度高 ， 便于总线扩展和维护等诸多优点。 12W ire (单总线 )是 Dallas半导体公司近年推出的新技术。 他将数据线、控制线、地址线合为 1根信号线。 单总线适用于单个主机系统 ， 能够控制一个或多个从机设备。 DS18B20抗干扰能力强 ,转换精度高 ， 使用时无需标定或调试 ， 与微处理器的接口电路简单 ， 可方便地实现多点 组网测温 ， 给硬件设计工作带来了极大的方便。 另外采用 DS18B20能缩短开发周期 ， 有效地降低成本 ， 简。