超声波红外报警器

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要科学技术的发展是异常迅速的，自从人们发现超声波以来，它就被广泛地运用到各个领域。本文主要介绍超声波测距仪，本电路的核心是信号的发射与接收。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体

2、积小、信号处理可靠等特点。最后，本文会详细叙述此电路的安装与调试，并对调试过程中出现的问题做简要说明。关键词：超声波；非接触；超声波传感器AbstractSciences and technologys development is exceptionally rapid, has discovered the ultrasonic wave since the people, it widely is utilized each domain. This article main introduction ultrasonic wave distance gauge, this electr

3、ic circuits core is the signal launch and the receive. The supersonic range finder is one non-contact detection mode. Compares with other methods, like the electromagnetism or optics method, it the optical fiber, is not measured influences and so on object color. Regarding was measured that the thin

4、g is in dark, has the dust, the smog, the electromagnetic interference, virulently and so on under the bad environment to have certain adaptiveness. Therefore in the fluid position survey, the manipulator controls, aspects and so on vehicles automatic navigation, object recognition to have the wides

5、pread application. Specially applies in the air range finder, because in the air the wave velocity is slow, in its echo signal contains is very easy along the propagation direction in structure information to examine, has the very high resolving power, thus its accuracy also compare other methods to

6、 high; Moreover the ultrasonic sensor has the structure to be simple, the volume is small, signal processing reliable and so on characteristics. Finally, this article will narrate this electric circuits installment and the debugging in detail, and to will debug the question which in the process will

7、 appear to give the briefing.Key words： Ultrasonic wave; Non-contact; Ultrasonic sensor 目录专心-专注-专业第1章 绪论1.1 课题背景随着科学技术的发展超声波将在传感器中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市

8、给排水系统也有较大发展， 箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。1.2设计题目和要求名称：超声波测距仪指标 1.显示功能。2.测试距离介于0.35米到5米 3.误差5% 1.3设计原理与功能声波测距作为一种典型的非接触测量方法。跟据超声波在空气中可传播性，实时测得超声波在空气中的传播时间和传播速度，将时间和速度相乘即得距离的原理。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线

9、和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各种场合均得到广泛应用。该测距仪可广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活，无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。 1.4本章小结本章主要阐述了超声波测距仪发展背景和意义，同时初步说明了超声波测距仪的功能，并给出了模拟电路框图。第2章 设计方案及选择2.1设计方案论证2.1.1测距方式方案一：利用超声波回波的强度来确定到障碍物的距离，优点是电路结构简单，但是回波强度不仅和距离有关系，障碍物的反射能

10、力及其它因素都会影响回波强度，所以这种方式不能准确。方案二：利用超声波发射和回波之间的时间差来计算出距离，优点是测量精确，但是电路复杂，对环境要求高。 2.1.2超声波发射电路图 2-1 晶体管震荡电路方案一：为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。如图2-1电路中的Q1、Q2组成正反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器的共振频率40KHz。但是频率不可调、频率稳定性差、抗干扰性差。图2-2 555震荡电路方案二：由555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路

11、，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。由555第3脚输出，电路简单易制、稳定性较高。2.1.3 超声波接收电路方案一：电路中由晶体管进行放大，VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，以送给计时电路计算，此电路稳定性差、抗干扰性不佳。 图 2-3 超声波接收电路（一）方案二：集成式超声波接收器电路：超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，送入集成电路组成的高通放大器检测并放大。电路稳定性好，灵敏度高。图 2-4 超声波接收电路（二）2.1.4数据的显示方案一：采用液晶屏显示，可直观显示出

12、距离，电路较复杂，耗电量较大。方案二：采用数码管显示，可以准确显示出距离，电路简单，耗电量较低。2.2 方案的比较2.2.1测距方式两种测距方式中，方案一利用测量回波强度的方法不准确，而且可能的干扰因素过多。而方案二利用超声波发射及回波的时间差测量比较准确，可能的干扰因素较少。2.2.2超声波发射电路两种超声波发射电路中，由NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。电路简单易制、稳定性较高。所以发射电路采用NE555式发射电路。2.2.3超声波接收电路方案一的超声波接收电路是使用晶体管进行放大并整形的，电路复杂且不稳定。方案二是用集成运算电

13、路处理信号，放大倍数高而且稳定，根据我所要实现的功能所以选用方案二集成运算接收电路。2.2.4 显示电路方案一的方式直观，但电路连接比较复杂。方案二是使用数码管来显示距离，比较直观，根据我所要实现的功能所以选用数码管显示电路。2.3 电路框图超声波信号发生电路超声波整形驱动电路路 TX 检测放大电路信号比较电路 RX时间测量电路计数电路显示电路图2-5超声波测距仪框图根据前几小节对不同方案的论证及比较，先确定出电路的框图如图2-5所示电路系统包括：超声波发生及驱动电路超声波接收整形电路信号比较电路、时间测量电路计时电路显示电路及电源。其中超声波发射及接收是此电路的主要部分，超声波信号发生器用来

14、产生已调制的超声波脉冲，驱动电路用来放大脉冲以驱动发射头，放大电路用来放大超声波接收头接受到的信号，放大后经比较器整形后送入时间测量电路，经过计数译码送入显示电路显示出距离。2.4 本章小结 本章对电路几部分的不同方案进行了对比论证，并且从中选择出了比较合适的电路并说明了它们的优缺点。确定了最终的电路组成，绘出了方框图。第3章 单元电路组成与设计3.1超声波测距原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的, 其频率在20KHz以上。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度

15、、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、电子计数相结合可以实现非接触式测距。超声波传感器：常用的超声波传感器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波传感器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波传感器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶

16、体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f = 40kHz ,波长 = 0. 85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应) 而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压, 再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能

17、转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在68CM否则过于靠近易产生干扰。常用的超声传感器有T40-XX和R40-XX系列、UCM-40T、UCM-40R等。其中T代表发射传感器，R代表接收传感器，它们都是成对使用的。 dB 120 110 100 40 43 KHz图3-1 T/R40-16声压能级dB-50 -60 -70 40 43 KHz图3-2 T/R40-16灵敏度 从图 3-1以及图3-2 中可以得知，它的声压能级、灵

18、敏度在40kHz时最大，所以电路一般选用40kHz作为传感器的使用频率，这个系列的超声传感器性能参数如表3-1所示：表 3-1 超生传感器电性能参数表型号T/R40-12T/R40-16T/R40-18AT/R40-24A单位中心频率401kHz发射声压最小电平112115115115dB接收最小灵敏度-67-64-64-64dB最小带宽发射头5/1006/1036/1006/103kHz/dB接收头5/-756/-716/-716/-71kHz/dB电容250025%240025%240025%240025%pF超声测距原理：常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声

19、脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct2计算换能器与目标之间的距离。图 3-3超声波发射电路如图3-3由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路。然后加到超声波发射头的两极，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。发射出的超声波向空中四面八方直线传播，遇有障碍物后它可以发生反射。首先由LM555组成超声波检测脉冲信号发生器，TL=1MS TH=64MS。IC2组成频率约为40KHZ，占空比为50%超声波载波信号发生

20、器，再经CD4069放大来驱动超声波发送器使之发生40KHz超声波并以疏密波的形式向外传播。工作信号见下面简图，计算方法见后几小节。超声波接收器接收到上述信号后，通过放大，滤波器得到控制信号，送至控制器，图3-4中a,b构成双晶体片，在方波驱动下，发送器中的双晶体片，在方波驱动下，发送器中的双晶体片在不同方向被压缩或拉伸形成超声波。有两种式作方式：直射式，反射式。本电路采用的是反射式。放大器震荡器放大 器滤波器控制器 b a 圆锥形振子 a b压缩 拉伸 拉伸 压缩 b a a b 图 3-4超声波发射、接收3.2单元电路设计3.2.1超声波发射电路超声波发射电路的组成：如图3-5由两个NE5

21、55时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路。左边的NE555时基电路组成超声波检测脉冲信号发生器然，TL=1MS， TH=64MS。右边NE555时基电路组成频率约为40KHZ，占空比为50%超声波载波信号发 图3-5 超声波发射电路波形简图生器，再经4069放大来驱动超声波发送器使之发生40KHz超声波并以疏密波的形式向外传播，发射出的超声波向前沿直线传播，遇有障碍物后它可以发生反射。工作信号见图3-6，详细计算方法见芯片介绍一节。图3-6 超声波驱动电路3.2.2超声波接收电路如图3-7所示为超声波接收电路，由超声波接收头和前两级运放完成超声波信号的检测及放大，一般运算放大器需要正

22、负对称电源，为保证其可靠工作，这利用R27和R28进行分压，这是通向段有4.5V的重点电压，这样可以保证放大的交流信号质量，不至于产生失真。反射回来的信号经第一级放大100倍（40dB),再被第二级放大10倍（20dB）,进入有电容及二极管组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送入比较器进行处理。图 3-7 超声波接收电路在比较器的同相端接有电容和二极管，用来防止误检测而设置。在实际测量时在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测，为避免这种情况，这里引入检测脉冲适当提高比较器的门限转换电压，由于电容的放电保持作用，可以防止由于检测脉冲本身的干扰而形成的误检测。当然由于

23、防止误检测的作用，近距离测量会受影响，根据图示参数最小测量距离在40cm左右。 图 3-8 RS触发电路 如图3-8所示这里由与非门构成的R-S触发器构成时间测量电路，在发出检测脉冲时，即A端为高电平时，D端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，C端由高变低，此时D端变为低电平，故输出端得到的高电平即为测试脉冲往返时间。3.2.3记数和显示电路计数和显示电路由CD4069, MC14553, HEF4511组成。如图3-9所示，计数电路脉冲发生器由非门组成，其工作频率为1/(2.2CR)。 图3-9 计数和显示电路本设计电路频率设计在17.2KHz左右。这个频率是在环境温度为20摄氏度时由声

24、波的传播速度为343.5m/s确定的。实际上，在不同环境温度下，只要测试标准距离1m,然后调节电位器，即改变脉冲发生器的频率，使计数电路显示为100即可校准。图中MC14553为摩托罗拉公司产的三数字BCD计数器，HEF4511为BCD-锁存/七段译码/驱动器，计数器的清零及数据锁存信号由脉冲的上升沿及下降沿在相关电路的作用下产生。3.2.4 时间增益补偿电路超声波在空气中传播时，声强会随传播距离的增加而减小，这就是所说的衰减现象，造成超声波衰减的因素是由于声束本身的扩散以及以及由于反射、散射等原因造成的声强度减弱。显然，这一类衰减没有使声波的总能量减少，只是使其偏离了原来的传播方向而转移到其

25、他方向上去了。设最初的声强为I0，在经过x距离后，由于吸收衰减，声强变为I，则超声波的吸收可以用式(2)表示：式中，为空气衰减系数。由上式可知，超声波在空气中传播时，随着传播距离的增加，其总能量逐渐减弱，其规律是按指数形式衰减。因此，在不同距离上的回波脉冲幅度，由于其声程不同，造成的吸收程度也不同，使回波脉冲幅度的差异很大，由于在回波脉冲信号处理中通常采用比较器电路，将回波脉冲(形状为钟形)跟一固定的基准电压作比较，将回波脉冲整形为方波；由于不同距离的回波脉冲幅度差异较大，回波到达时间产生不确定性，导致测量误差产生。如果探头发出的超声波，经x距离到达某反射面，并经原路返回，其入射声强和反射声强

26、分别是Ii和Ir，由式(2)可得：从中可以看出，因为吸收而使声强增益L减少的分贝数(dB)为 式中，c为声波在空气中的传播速度，t为传播过程中经历的时间。由于空气衰减系数，传播速度c均能确定，由此可以证明：超声波在x传播距离上幅度减少的分贝数与超声波穿过该距离的时间t成正比。即随着时间的增加，声强增益L逐渐减小。因而，必须对衰减上的回波进行增益补偿。依式(4)，可以把接收的增益G(dB值)与回波时间t成正比，或者增益G与回波时间t成指数增加关系。补偿衰减的幅度，最终使接收器接收的信号保持不变。因而从较远距离反射的回波信号的放大倍数较大，而距离较近的反射信号，也就是时间上较早到达的回波信号的放大

27、倍数较小， 3.2.5 峰值时间检测电路在采用了增益补偿电路后，回波信号幅度得到了相对的稳定。但由于压电陶瓷片的惯性、滞后等现象，及超声波脉冲在空气中传播本身存在的多重反射路径等现象，导致回波信号被展宽，造成了回波正确到达时间的不确定性，对测量精度造成较大的影响。另外由于各种障碍物反射率的不同，对超声波的吸收程度也不一致，在研究中发现仍会使回波信号幅度造成一定的波动，影响了时间检测的精度。因而须在回波信号处理上采取措施，以消除所造成的误差。回波信号处理电路由包络检波电路和时间检测电路两部分组成。包络检波电路没有采用普通的二极管线性检波电路，由于二极管的正向导通电压不小于0.5 V，在检波1 V

28、以下的小信号时，误差很大。因此采用有源全波整流电路。即把二极管置于运算放大器的反馈回路中，即使输入电压的峰值小于0.1 V，检波性能仍十分精确。电路由半波整流电路A1和反相加法运算放大器A2组成。在R1=R2的条件下，输入电压Ui与U1的关系为： Ui与U1由反相加法放大器A2求和，在Ui0时，U1=-Ui，由于R4=0.5R5，所以Uout=-2U1-Ui，故有 Uout=Ui这样，不论输入信号极性如何，输出信号总为正，实现了全波整流，电容C的作用是滤波，从而实现了线性包络检波，相当于把超声频率提高了1倍，即提高了时间分辨率，并克服了普通二极管检波电路存在着非线性等缺点。 回波信号处理电路的

29、关键部分是时间检测电路。通常的情形是采用具有固定阀值电平的比较器电路，将经过检波后的回波信号与一固定阀值电平在一比较器电路中进行比较，比较器输出的翻转时间就是回波到达时间，但由于回波信号被展宽及回波信号幅度一定程度的波动，造成时间检测产生误差，因而在设计中把回波幅度的峰值时间点作为回波到达时间，即设置一微分电路和过零检测电路。他们的工作原理可由图3-11说明，用于精确地检测峰值时间点，该方法在原理上和信号幅度无关，故具有优良的传输时间检测特性。 图3-11 回波信号时间检测电路波形图不同距离的实验结果如表1所示，每种距离的3次测试结果表明，在0.55 m的测量范围内，系统最大测距误差为0.5

30、%，且测量重复性较好，具有较高的稳定性。 表3-2 实验结果实际距离/m 测量结果 /m 测量误差/%0.5 0.502 0.501 0.502 0.4 0.2 0.4 1 1.001 1.005 1.004 0.1 0.5 0.4 1.5 1.506 1.495 1.501 0.4 -0.35 0.07 2 1.993 2.000 2.003 -0.35 0 0.15 3 3.012 3.006 3.010 0.4 0.2 0.33 5 4.978 4.985 4.991 -0.44 -0.3 -0.23.3 集成电路结构3.3.1 555振荡器 555电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合

31、在同一硅片上的组合集成电路。尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的555556时基电路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。图3-12中示出了555时基电路的内部等效电路图。我们以NE555 为例分析其内部电路和原理。从NE555时基电路的内部等效电路图中可看到，VTlVT4、VT5、VT7组成上比较器Al，VT7的基极电位接在由三个5k电阻组成的分压器的上端，电压为VDD；VT9VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电位为VDD。在电路设计时，要求组成分压器的三个5k电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位VDD和VDD。VTl4VT

32、l7与一个4.7k的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。VTl8VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。555时基电路的工作过程如下：当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces箝制VTl5的基极处于低电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。因此，输出端3脚输出高电

33、平。此时，不管6端(阈值电压)为何种电平，由于双稳态触发器(VTl4VTl7)中的47k电阻的正反馈作用(VTl5的基极电流是通过该电阻提供的)，3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于VDD的电平为止。图3-12 555时基电路的内部等效电路图当触发信号消失后，比较器A2反相输入端2脚的电位高于VDD，VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过4.7k电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。同时，VTl8的截止使VT6也截止。当触发信号加到6脚时，且电位高于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆导通。此时，若

34、2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2。都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。此时，若2脚仍无触发信号，则VTl5通过4.7k电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。同时，VTl8的导通，使放电级VT6饱和导通。通过上面两种状态的分析，可以发现：只要2脚的电位低于VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位

35、高于VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。4脚为复位端。当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。VT8的发射极通过D3及VTl7的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。因此，当复位端4脚电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的电平只取决于2脚、6脚的电位。根据上面的分析，555时基电路的内部等效电路

36、可简化为如图3-13所示的等效功能电路。图3-13 简化的555等效功能电路显然，555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的VDD和VDD。参考电压所限定。为进一步理解其电路功能，并灵活应用555集成块，下面简要说明其作用机理。从图3-13可见，三个5k电阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为VDD，下触发电平为VDD。在5脚控制端外接一个参考电源Vc，可以改变上、下触发电平值。比较器Al的输出同或非门l的输入端相接，比较器A2的输出端接到或非门2的输入端。由于由两个或非门组成的

37、RS触发器必须用负极极性信号触发，因此，加到比较器Al同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，RS触发器才翻转；而加到比较器A2反相端2脚的触发信号，只有当电位低于A2同相端的电位VDD时，RS触发器才翻转。通过上面对等效功能电路和555时基电路的内部等效电路的分析，可得出555各功能端的真值表。表3-3 555各功能端的真值表引脚26437电平 VDD1.4V高电平悬空状态电平 VDD VDD1.4V低电平低电平电平 VDD1.4V保持电平保持电平0.3V低电平低电平从表 3-3可看出，S、R、MR的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特

38、色。1. 555芯片计算1工作原理电路如图3-14所示是用555定时器构成的多谐振荡器。R1、R2、C是外接定时元件，定时器TH（6）、（2）端连起来接uC，晶体三极管集电极（7）R1、R2的连接点P。（1）起始状态 接通电源前电容C上无电荷，所以接通电源瞬间，C来不及充电，故uC=0比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器Q=1、=0，uO=UOH、TD截止。（2）暂稳态 Q=1、=0、uO=UOH、TD截止，是电路一种暂稳状态，因为在这种状态下，有一个电容C充电、uc缓慢升高的渐变过程在进行着，充电回路是VccR1、R2C地，时间常数是1=（R1+R2）C。（3）自动翻转 当电容C

39、充电，uC上升到2Vcc/3时，比较器C1输出跳变为0，RS图3-14 555定时器构成的多谐振荡器立即翻转到0状态，Q=1、=0、uo=UOL、TD饱和导通。（4）暂稳态 Q=1、=0、uo=UOL、TD饱和导通，是电路的另一种暂稳态，因为这种状态下，同样有一个电容C放电、uC缓慢下降的渐变过程在进行着，放电回路是CR2TDF ，时间常数是2=R2C（忽略TD饱和导通电阻RCES）。（5）自动翻转 当电容C放电,uc下降到VCC/3时,比较器C2输出跳变为0,基本RS触发器立即翻转到期状态,Q=1、=0、uo=UOH、TD截止，即暂稳态。在暂稳态，电容C又充电、uc再上升，不难理解，接通电源

40、之后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转振荡，于是在输出端就产生了矩形脉冲。电路的工作波形见图3-15。图3-15 工作波形2振荡频率的估算和占空比可调电路由工作原理分析知道，电路稳定工作之后，电容C充电和放电的过渡过程总是周而复始重复进行的。（1）电容C充电时间，即暂稳态维持时间tw1的估算 电容充电时，时间常数1=（R1+R2）C，起始值uc(0+)=VCC/3，终了值uc（）=VCC、转换值uc（tW1）=2 VCC/3，代入RC过渡过程计算公式进行计算： tn=uc()-uc(0)/uc()-uc(tm) =Vcc-1/3Vcc/Vcc-2/3Vcc =2 =0.7(R1-R2)C (式3

41、-8)（2）电容C放电时间即暂稳态维持时间tW2R的估算 电容放电时，时间常数2=R2C，起始值uc(0+)=2Vcc/3,终了值uc()=0,l转换值uc(tW12)=VCC/3, 代入RC过渡过程计算公式进行计算： tn=2uc()-uc(0)/uc()-uc(tm)=2Vcc-2/3Vcc/Vcc-1/3Vcc =2=0.7FqC （式3-9）（3）电路振荡频率f 振荡周期TT=tw1+tw2=0.7 (R1+R2）C+0.7R2C =0.7 (R1+2R2）C （式3-10）振荡频率f:f=1/T=1/0.7(F1+F2)C =1.43/(F1+F2)C （式3-11）（4）占空比q

42、定义:q=tW1/T,脉冲宽度与重复周期之比，称为占空比。q=tw1/T=0.7(R1+R2)C/0.7(R1+2R2)C =R1+R2/R1+2R2 （式3-11）本文用555组成了多谐振荡器，其中R1采用了变阻器，这样使频率可以变化。3.3.2 CD4011与非门CD4011是2输入正向逻辑与非门，CD4011与非门为系统设计者提供了直接的与非功能， 所有输入输出经过缓冲，改善了输入输出传输特性， 使得由于负载容量的增加而引起的传输时间的变化维持到最小。引脚功能如图3-16。图 3-16 CD4011引脚图 3.3.3 CD4069非门CD4069有六个COS/MOS反相器电路组成，此期间

43、主要用作通用反相器，即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。引脚功能如图3-17。 图 3-17 CD4069引脚图3.3.4 LM833双运放图 3-18 1/2LM833内部结构图图 3-19 LM833引脚图表 3-4 LM833电气特性表3.3.5 MC14553计数电路4533是三位数字BCD计数器，当位选线分别为低电平时，通过内部的多路转换器，Q1-Q4段分贝输出个位计数器，十位计数器，百位计数器的计数值。在任意时刻，位选线只有一个是低电平，并作周期循环。 图 3-20 MC14553引脚图表 3-5 MC14553真值表3.3.6 HEF4511译码器显示译码器CD4

44、511是一个驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的电流。可直接驱动LED显示器。其引脚图如44所示。各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示a、b、c、d、e、f、g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是VDD、VSS。 图 3-21 HEF4511引脚图其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐

45、）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。输 入输 出LED C B ABILTXX00000000000000001X0111111111111111110111111111111111111X X X XX X X X0 0 0 00

46、 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 11 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 1X X X X显示a b c d e f g 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0

47、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8消隐 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9消隐消隐消隐消隐消隐消隐锁存锁 存表36 CD4511真值表CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可以工作了。其真值表如表36。CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。（1）锁存：译码器的锁存电路由传输门和反相器组成,传输门的导通或截止由控制端LE的电平状态。 当LE为“0”电平导通，TG2截止；当LE为“1”电平时，TG1截

48、止，TG2导通，此时有锁存作用。（2）译码：CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数 据B、C进行组合，得出、四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。（3）消隐：BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。消隐输出J的电平为公式J=（C+B）D+BI,如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D据上式，当输入BCD代码从1010-1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。8421 BCD码对应显示见图3-22图3-22 数码显示选用共阴极数码管，对于 CD4511 ，它与数码管的基本连接方式如下图3-23图3-23

49、CD4511与数码管连线图3.4 本章小结本章重点介绍基础单元电路，首先介绍了超声波的原理。对超声波发射，超声波接收，计数显示电路及电机驱动电路作了介绍，在本章的最后一小节还对所用集成电路作了简要介绍。 第4章 整机电路及工作原理整机电路由两大部分组成： 超声波发射接收电路以及计数显示和电机驱动电路。4.1 整机电路原理图图4-1 整机电路原理图（超声波发射接收电路）图4-2整机电路原理图（计数显示部分）4.2工作原理由NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路。然后加到超声波发射头的两极，由压电陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动，经锥形辐射器将超声振动信号向外发射出去。发射出的超

50、声波向前沿直线传播，遇有障碍物后它可以发生反射。进入到超声波接收电路，由超声波接收头和前两级运放完成超声波信号的检测及放大，进入有电容及二极管组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送入比较器进行处理。在比较器的同相端接有电容和二极管，用来防止误检测而设置。在实际测量时在测距仪的周围会有部分发出的超声波直接进入接收头而形成误检测，为避免这种情况，这里引入检测脉冲适当提高比较器的门限转换电压，由于电容的放电保持作用，可以防止由于检测脉冲本身的干扰而形成的误检测，由CD4069, MC14553, HEF4511组成计数和显示电路进行显示。本设计电路频率设计在17.2KHz左右。这个频率是在环

51、境温度为20摄氏度时由声波的传播速度为343.5m/s确定的。实际上，在不同环境温度下，只要测试标准距离1m,然后调节电位器，即改变脉冲发生器的频率，使计数电路显示为100即可校准。 4.3 本章小结本章对超声波测距系统设计基本原理作了简要的介绍，在本章给出电路原理图可以方便参考。以掌握超声波测距系统的原理及设计方法。第5章 电路安装调试及误差分析5.1 电路的组装 由于本电路所包含的元件比较多，如果采用面包板体积将过大，不便于演示，另外抗干扰性能也不佳。所以我采用了PCB制板，这样直接焊接即可。在元件方面，超声波发射头使用T40-16,接收头用R40-16，注意成对使用。倍压检波二极管应该使

52、用锗管。其它元件没有特殊要求，按图纸的型号使用即可。5.2 发射与接收电路的调试与测量所有电子设备在设计并安装焊接完成后，并不能马上使用，都必须统调各项参数后，才能够正常投入使用。超声波电路调试很简单，主要是载波调整到40KHZ即可。 图5-1 超声波输出波形图把调试用跳线帽拔下，令IC2的4脚为高电平，这时电路会发出连续的高频载波信号，频率大约40Hz,此时可以用示波器监测LM833第1脚的信号。让超声波探头朝向一面墙，调节电位器，使LM833的1脚输出信号最大，插好跳线帽，应能看到超声波脉冲串。 5.3显示距离的校准 让超声波探头垂直于墙面1m处，通过调整拨码开关以及电位器使显示器显示为1

53、.00。但环境温度改变时，一般需要再次调节，校准测距电路。5.4实验中所遇到的问题5.4.1 关于短距离测量当探头逐渐靠近障碍物时，最终读数显示在40cm左右。因为这个电路防误检测电容取值0.01U。如果要进一步缩短测试距离，有前面分析可知，必须然发出的测试脉冲宽度更窄，同时减小防误检测电路电容的容量。但由于超声波发射器的输出功率有限，缩短脉冲意味着缩小输出功率，在长距离测量时会受影响。5.4.2 关于长距离测量 长距离测量由于各种因素的影响会困难一些，因该注意：被侧目标必须垂直于探头，目标表面必须平坦，周围没有其它可反射超声波的物体5.5本章小结本章对各部分单元电路的安装及调试做了具体的介绍

54、，从而使电路的安装非常明了。并且对在调试过程中所遇到的问题进行分析。结 论我的毕业设计题目是超声波测距系统。经过查资料，选方案，设计电路，安装调试等一系列的过程完成了题目，同时各项指标均实现。经过了这次的实验，我的收获颇多，体会也不少。首先，我深刻地了解了实验的重要性，许多科学理论的建立也都是从实验中见到先兆，并通过实验得到验证。实践是检验真理的唯一标准，只有自己动手，通过实验来确定以前理论上的结果，并且为将来的研究打下基础，其次，有许多问题我都是通过其他同学的帮助和指导才解决的。当然在我解决的这些问题后，我也将自己的经验和教训无保留的告诉了其他碰到同样困难的同学。在这次实验中,周凯老师对我的

55、设计认真指导,非常负责的对我提出的问题作出回答,当我遇见难题时老师也认真的辅导,并且亲自指导,为我们的设计花费了大量的时间,在这里深情的说声谢谢!老师辛苦了!致 谢在十三周的课程设计中，大大提高了我的动手能力和综合运用知识的能力，特别是在电路的调试这一块，有更深的了解。当然这段时间的学习和进步首先离不开的是我的指导教师李伟的悉心指导和严格要求。李老师为我们提供了良好的科研环境，让我学到了知识，也获得了实践锻炼的机会。正是在李老师的带领下，我才初窥了设计工作的门径，并且开始感受到了设计工作的独特魅力，这些将使我终身受益。感谢电子系的领导及各实验室的老师给予我们很大的支持和帮助。为我们投入了大量财

56、力、物力和实验设施，同时也感谢那些曾经帮助过我的老师，特别感谢他们对我们这次毕业设计提供的帮助。他们不惜牺牲个人时间为我们解决了许多疑难问题，并提出宝贵意见和建议，应该说我们的进步凝聚着老师的汗水。因为有各位老师的细心指导，才使我们的课程设计能顺利完成。再次感谢电子系的各位老师的帮助。 谨此对各位老师和同学表示衷心的感谢。谢谢！各位老师您们辛苦了。参考文献1 孟立凡,郑宾.传感器原理及技术.国防工业出版社,20052 赵文博.新型常用集成电路速查手册.人民邮电出版社,20063 张申科,崔葛瑾.数字电子技术基础.电子工业出版社,20044 肖景和.CMOS数字电路应用300例.中国电力出版社,20055 刘亦松.数字电路逻辑设计.高等教育出版社，20036. 樊昌元，丁义元. 高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报，2000.107. 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.10 8. 苏长赞.红外线与超声波遥控.北京：人民邮电出版社，1993.7