基于超声波传感器的障碍物检测课程设计讲解.docx

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基于超声波传感器的障碍物检测课程设计讲解

《智能仪器仪表设计基础》

课程设计报告

单位：

学生姓名：

专业：

班级：

学号：

指导老师：

成绩：

设计时间：

2013年5月

指导老师提供的设计题目和要求

1、设计题目：

基于超声波传感器的障碍物检测电路仿真设计

2、指导老师：

3、设计条件：

[1]仿真软件可用Multisim10软件或者saber软件。

[2]超声波传感器详细参数：

工作频率：

40KHz±1.0KHz

声压值：

≥94dB（30cm/10Vrmssinewave）

灵敏度：

≥-82dB/v/ubar（0dB=v/pa）；

余振：

：

≤1.2ms；

-6dB方向性（度）：

60°±10°

电容：

2000pf±10%；

最大输入电压（Vp-p）：

150（40KHz）

使用温度范围：

-35℃—+80℃

储藏温度范围：

-40℃—+85℃

4、设计要求：

[1]设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。

超声波发射电路包括升压激励模块。

超声波回波接收电路包括一级带通滤波电路、二级带通电路、回波二值化电路组成。

[2]当在超声波发射电路输入端输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声波发射电路输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。

[3]当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。

当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。

[4]附加要求：

请用虚拟仪器显示各个电路模块输入端信号及输出端信号

5、参考书目

[1]胡向东，刘京诚，余成波等编著，传感器与检测技术机械工业出版社，2009

[2]张国雄主编测控电路机械工业出版社，第4版

一、摘要

本次仿真实验设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。

超声波发射电路包括升压激励模块。

超声波回波接收电路包括一阶低通滤波电路、二级低通电路、回波二值化电路组成。

在本次应用Multisim10软件仿真实验过程中我们用555定时器产生了0~5V的方波激励信号，并通过升压激励电路最终能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。

而当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。

当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。

二、相关电路概述及原理简介

1、超声波传感器

超声波发射与回波接收电路的主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压幅值，有效地进行电／声转换，增大超声波的发射距离，并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号。

超声波发射与回波接收电路如图3所示（画出一路，其他三路与该路一样）。

图1超声波发射原理图

EFR40RS是收发一体封闭（防水）型超声波传感器，其中心频率f0=（40．0±1．0）kHz，-3dB带宽1kHz。

驱动电压峰一峰值要求60～150V。

CD4052是双路四选一模拟开关，单片机的P3．4和P3．5端口输出选通信号，单片机的P3．3端口输出一串40kHz的脉冲电压，通过CD4052的X路加到选通的开关三极管Q1基极，经脉冲变压器T1升压至100VP-P左右，驱动超声波传感器EFR40RS发射超声波。

发射时的脉冲电压幅值大小直接影响测距的远近，应采用超声波专用的脉冲变压器。

反射回的超声波经原收发一体封闭型超声波传感器变成毫伏级的一串脉冲电信号。

由于回波电信号的幅值小，VD3和VD4二极管截止，该信号不会通过T1变压器副边线圈形成短路。

VD1和VD2二极管也截止，所以回波电信号经R1和C1，通过CD4052的Y路送到超声波电信号放大与整形电路。

R1和VD1，VD2组成双向限幅电路，避免发射时的大信号造成超声波放大与整形电路阻塞，甚至损坏电路。

2、555定时器

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。

555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

电路组成：

图2555定时器构成的多谐振荡器电路

　　用555定时器构成的多谐振荡器电路如图所示：

图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。

定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。

多谐振荡器的工作波形如图所示，电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出Vo为高电平。

同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态I，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。

多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。

暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出Vo的正向脉冲宽度T1≈0.7（R1+R2）C；暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出Vo的负向脉冲宽度T2≈0.7R2C。

.

图3多谐振荡器的工作波形

　　因此，振荡周期T=T1+T2=0.7（R1+2R2）C，振荡频率f=1/T。

正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比Ｄ，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。

电容器C放电所需的时间为：

tPL=R*ln2≈0.7*R；当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为:

tPH=（R1+R2）*C*ln2≈0.7*（R1+R2）*C；当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率：

f=1/（tPL+tPH）≈1.43/[（R1+2*R2）*C]

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

本次仿实验中我们将利用555定时器构成的多协振荡器产生脉冲信号。

如图4所示。

图4555定时器构成的多协振荡器参考图

多谐振荡器应用举例：

A.模拟声响发生器：

将两个多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。

这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡,扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止震荡,此时扬声器无音频输出。

因此从扬声器中听到间歇式的"呜......呜"声响。

B．电压——频率转换器：

　　由555定时器构成的多谐振荡器中，若定时器控制输入端（5脚）不经电容接地，而是外加一个可变的电压源，则通过调节该电压源的值，可以改变定时器触发电位和阀值电位的大小。

外加电压越大，振荡器输出脉冲周期越大，即频率越低；外加电压越小，振荡器输出脉冲周期越小，即频率越高。

这样，多谐振荡器就实现了将输入电压大小转换成输出频率高低的电压—频率转换器的功能。

3、低通滤波器

滤波器的工作原理是当信号与噪声分布在不同的频带中时，利用滤波器对不同频率信号有不同的衰减特点，从频率域实现信号分离。

本次试验中采用无限增益多路反馈型滤波电路，它是一个由赋以多路反馈的理论上具有无限增益的运算放大器构成的滤波电路。

图2所示分别是一阶有源低通滤波器和由单一运算放大器构成的无限增益多路反馈二阶低通滤波电路的基本结构。

无限增益多路反馈二阶低通滤波器参数如公式

（1）。

图5一阶低通滤波器以及无限增益多路反馈低通滤波器

公式

（1）

三、超声波传感器的障碍物检测电路设计思路

本次仿真实验设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。

根据超声波传感器相关资料我们了解到，超声波传感器的工作电压是在100V~150V，在本次仿真实验中，我们利用一个2nF的电容代替超声波传感器，因此，我们需要在电容的一端输出100V~150V的电压值，以满足实际超声波传感器工作需要。

由于超声波传感器是收发两用传感器，因此在发出超声波的同时也会接收到一个60mV~2V左右的信号作为反馈信号，但由于信号幅值较小同时包含噪声，我们需要首先对其滤波放大。

其次，由于设计需要，我们需要将该信号转变为近似方波信号。

因此，我们设计的超声波发射电路包括升压激励模块以及555定时器方波发生器模块，而超声波回波接收电路包括一级低通滤波电路、二级低通电路、回波二值化电路模块。

当在超声波发射电路输入端利用555定时器方波发生器输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声波发射电路通过变压器升压使输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个输出信号。

另外，在本次试验中我们利用一个2nF的电容代替超声波传感器，因此，在输出端输出100V~150V信号时，在另外的超声波回波电路输入端会接收到一个VPP=60mV~2V，f=40KHZ的信号。

当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，我们利用两级低通滤波器进行滤波，得到所需要的波段。

然后利用比较器进行二值化处理，当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。

四、超声波传感器的障碍物检测电路实际设计

1、超声波发射电路部分

在本次应用Multisim10软件仿真设计试验中，我们用555定时器产生0~5V的方波，并通过变压器升压激励模块将方波升压为100V~150V，f=40KHZ的一个输出信号，然后通过输出端输出一个正弦信号。

555定时器电路图如图5所示。

发射端电路图如图6所示。

图6555定时器电路

图6超声波发射电路

2、超声波回波接收电路部分

超声波回波接收电路包括一级有源低通滤波电路、无限增益多路反馈二阶低通滤波器、回波二值化电路组成。

当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。

当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。

图8超声波回波接收电路

1）滤波电路部分设计

在超声波回波接收电路中，本次仿真我们应用了一个一阶有源低通滤波器和两个无限增益多路反馈二阶低通滤波器进行信号的滤波，将第一级低通滤波器的转折频率取为41khz而第二级为39khz，通过两级滤波最终获得f=40KHZ（左右）的正弦波信号。

在本次设计中，我们利用滤波器设计软件对滤波器参数进行参数设置。

图9滤波器参数设置

2）二值化电路部分设计

在滤除干扰波形之后，采用了反向比较器的二值化电路，如图11，其原理是在反向输入端接入一个比较基准电压，通过电阻分压后得到基准电压。

然后利用滤波后的信号与其相比较，大于基准值输出为负值，小于基准值输出为正值。

图10二值化电路设计

3）超声波回波接收电路两种电路比较

为了能够更好的达到实验效果，我们借鉴资料设计了基于带通滤波器的超声波回波接收电路。

这里，参数设计同时也是利用的滤波器设计软件。

图11超声波回波接收电路之二

3、Protues软件绘制的总体电路图

为了使我们所设计的电路更具有可观性，我们也利用课堂上学到的Protues绘制仿真软件将整体的电路图进行了绘制。

图12总体电路图

五、实验结果分析

如图12，为超声波发射电路部分中应用555定时器发生的幅值在0~5V范围内的脉冲信号，并用虚拟示波器测得。

通过Multisim软件仿真出来的数据结果，整体是比较满意的，可以看出555定时器的仿真效果有达到我们预期。

图13555定时器的仿真信号图

下列图为由555定时器产生的脉冲信号经过开关电路、升压变压电路等电路处理后的100V~150V，f=40KHZ的一个近似正弦信号。

但是在超声波发生电路中的仿真我们可以看到有失真。

通过调节滑动变阻器的数值，我们可以看出如下变化：

图14RV1=1K，超声波发射电路输出值变化

图15RV1=10K，超声波发射电路输出值变化

图16RV1=20K，超声波发射电路输出值变化

根据图像我们可以得出通过调节RV1滑动变阻器的阻值，可以将输出波形调节的更加平滑，用以满足我们所需的实验效果。

通过进一步的探索我们可以了解到不仅仅是RV1滑动变阻器对输出波形有影响，负载电阻R1以及震荡电阻R2均会对输出波形产生一定的影响。

通过测试实验我们可知，在保证输出波形较为平滑和完整的情况下，可以将负载电阻R1和震荡电阻R2取大一点，以满足仿真的需要。

图17是经过超声波模拟器件接收到输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的回波。

由图可知，其幅值约为1.168v，满足我们的预期实验效果。

证明发射部分仿真效果达到预期。

图17回波接收端信号

超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号，在本次仿真实验中，我们用虚拟仪器模拟输入一个满足实验要求的正弦信号，如图17红线所示，其中蓝线为一级低通滤波后的信号（幅值约为1.477v），紫线为二级低通滤波后的信号（幅值约为2.397v），绿线为三级无限增益多路反馈低通滤波器滤波后的信号（幅值约为2.261v）。

通过图像显示，我们可以看出效果放大和滤波效果均可以达到我们的预期，因此滤波器的设计满足我们的实验需求。

图18各级滤波器信号效果

在二值化电路通过节点示波器采样得到的信号图（如下图所示），我们可以看到其大致为一个三角波形，幅值在3.458v~4.074v之间。

图20输出信号效果图

由输入正弦波信号源信号与上图信号比较我们可以看出，当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。

图21超声波回波接收电路输出端信号与输入端信号对比

六、误差分析

系统的误差来源于多方面，由于系统使用了多传感器进行检测，因此，每一个器件的性能都会影响到总体结果的准确性，例如元件参数随外界条件的变化而变化可能会导致系统的误差。

而系统工作方式也会带来误差，单片机的工作频率有限，造成对信号的影响以及计数存在着延迟，这也是误差产生的一个方面。

以上误差是不可避免的，而电路设计以及算法本身也可能存在误差，在设计过程中，努力减小因这种方式造成的误差从而保证系统精确度是很重要的。

七、实验总结

通过本次实验，我了解了基于超声波传感器的障碍物检测电路仿真电路的基本构成，基本了解了超声波发射电路、超声波回波接收电路以及各模块和各传感器的作用。

在本次的实验中，我们仿真取得的实验效果还是符合我们预期期望的，但是我们在仿真实际操作中还是发现了一些问题，这需要在日后的实验中，陆续加以改正。

在实验室的这几天，跟着学长，跟学长问这问那，才知道原来我们还差那么远，期间我不仅学习了基本知识，而且树立了一些工程意识，懂得了一些学习方法。

深深记下这个道理：

“不懂要多问，问了要真的懂，懂了要切实的用在实际中。

”只有这样，我才能够更快的提高自己，减少与别人的差距。

通过本次设计，充分的体现出了团队合作精神，分工明确了后，只有各个成员的共同努力才能做出更好的成品，只有队员的共同努力才能发现问题，解决问题。

在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。

在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。

学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次课程设计，本人在许多方面都有所提高，在综合运用课本的同时也能不断的提高自己的实践能力，同时我也认识到，遇到困难是不要总是按照自己的思路来解决问题，多听听别人的意见也许能打到事半功倍的效果。

同时通过本次课程设计发现了了自己的不足之处，学习了许多课程以外的知识，同时也提高了自己的独立思考的能力