《1.2超声波测距仪的设计与调试——发射部分.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1.2超声波测距仪的设计与调试——发射部分.ppt（19页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声波传感器的原理与应用超声波传感器的原理与应用主讲教师：汤旭慧主讲教师：汤旭慧Addr：行政楼行政楼509509或二工业中心或二工业中心418418Tel：或或2673119426731194Mail：或或第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分超声波传感器的检测方式超声波传感器的检测方式超声波测距仪的总体设计方案超声波测距仪的总体设计方案超声波发射电路基本原理超声波发射电路基本原理实训实训2：超声波发射电
2、路的制作与调试：超声波发射电路的制作与调试第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 本系统中超声波测距基本原理本系统中超声波测距基本原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪、物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计物位测量仪等。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到了
3、广泛的应用。工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即在本系统中，我们主要应用的是反射式检测方式。即超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时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后就立即停止计时。超返回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。超声波在空气中传播速度为声波在空气中传播速度为340m/s340m/s，根据计时器记录的时间，根据计时器记录的时间t t，就可以计算出发射点距障碍物的距离，就可
4、以计算出发射点距障碍物的距离s s。即：即：s=340s=340t/2t/2，这就是所谓的时间差测距法。，这就是所谓的时间差测距法。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声波测距仪的总体设计方案超声波测距仪的总体设计方案超声波发射头超声波发射头超声波接收头超声波接收头振荡电路振荡电路驱动电路驱动电路波形变换波形变换选频放大选频放大中央中央控制控制处理处理单元单元显示显示输输出出报报警警执行单元执行单元键盘控制键盘控制电源部分电源部分发射电路接收电路控制部分电源部分第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声
5、波测距仪的总体设计方案超声波测距仪的总体设计方案 本系统主要由超声波发射电路、接收电路、控制部分及电源四本系统主要由超声波发射电路、接收电路、控制部分及电源四部分组成。部分组成。控制部分是以单片机为核心的中央处理单元，除输入控制部分是以单片机为核心的中央处理单元，除输入/出模块外出模块外，还设置了报警控制和执行单元。，还设置了报警控制和执行单元。单片机可以根据设定的工作方式，产生单片机可以根据设定的工作方式，产生40kHz方波，经过驱动方波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号，与此同时，单片机开始计时。电路驱动超声波发生器发出一簇信号，与此同时，单片机开始计时。接收端经选频后将收到的微弱
6、回波信号检出，送信号放大电路放大，接收端经选频后将收到的微弱回波信号检出，送信号放大电路放大，经输出比较产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后经输出比较产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，从而计算出距离值送显示，或作为报警和执行单元动作停止计时，从而计算出距离值送显示，或作为报警和执行单元动作的依据，本系统可以满足多领域的应用。的依据，本系统可以满足多领域的应用。本系统设计电源部分是将本系统设计电源部分是将220V交流市电经变压、整流、滤波，交流市电经变压、整流、滤波，再经相关稳压电路输出再经相关稳压电路输出+5V，+12V,-12V等稳定电压输出供传感器等稳定
7、电压输出供传感器工作。工作。本系统中关键电路是超声波发射电路和超声波接收电路。后续本系统中关键电路是超声波发射电路和超声波接收电路。后续课程针对这两部分分别进行重点论述。课程针对这两部分分别进行重点论述。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声波发射电路基本原理超声波发射电路基本原理 超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波发超声波发射电路主要由振荡电路、驱动电路和超声波发射头组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的射头组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的40KHz频频率信号。由于超声波振子也有约率信号。由于超声波振子也有约2000PF的
8、电容，有充放电电的电容，有充放电电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声波。即使用方波进行驱动，由于振子的谐振波振子发送超声波。即使用方波进行驱动，由于振子的谐振作用，也变为正弦波进行发送。作用，也变为正弦波进行发送。本系统的振荡电路可以采用两种方案：一种是利用本系统的振荡电路可以采用两种方案：一种是利用555产生幅度和占空比可调的产生幅度和占空比可调的40KHz方波信号。另一种是利用单方波信号。另一种是利用单片机产生幅度和占空比可调的片机产生幅度和占空比可调的40KHz方波信号。方波信号。超声波发射头超声波发射头
9、振荡电路振荡电路驱动电路驱动电路第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 基于基于555的超声波发射电路的超声波发射电路振荡电路部分驱动电路部分第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声波发射电路超声波发射电路基于基于555的振荡器的振荡器 本电路中振荡电路采用本电路中振荡电路采用555工作于无稳态工作模式，在工作于无稳态工作模式，在C9不断的进行充、放电过程导致不断的进行充、放电过程导致555时基电路处于置位与复时基电路处于置位与复位反复交替的状态，即输出端位反复交替的状态，即输出端3脚交替输出高电平与低电平
10、，脚交替输出高电平与低电平，输出波形为近似矩形波，此电路也称为自激多谐振荡器。此输出波形为近似矩形波，此电路也称为自激多谐振荡器。此电路的具体工作原理在此不再赘述。但要注意：电路的具体工作原理在此不再赘述。但要注意：1.若调整可调电阻若调整可调电阻VR1，可改变输出矩形波的频率和占空比。，可改变输出矩形波的频率和占空比。2.当调整当调整VR1使得输出为使得输出为40kHz时，由于时，由于VR1R17，输出波形，输出波形占空比约为占空比约为50%，为近似理想对称方波。，为近似理想对称方波。3.555的强制复位端的强制复位端4脚由脚由AVR单片机单片机PB0引脚经三极管工作于引脚经三极管工作于开关
11、模式下进行驱动。当开关模式下进行驱动。当PB0输出低电平时，输出低电平时，555处于无稳态处于无稳态工作模式，产生工作模式，产生40kHz方波信号。方波信号。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 555555时基电路基本特性时基电路基本特性引脚引脚低触发端低触发端（2脚）脚）高触发端高触发端（6脚）脚）强制复位端强制复位端（4脚）脚）输出端（输出端（3脚）脚）放电端（放电端（7脚）脚）电平高低电平高低VDD/3任意任意高高高（置位）高（置位）悬空（置位）悬空（置位）电平高低电平高低VDD/32VDD/3高高低（复位）低（复位）低（复位）低（复位）电平
12、高低电平高低VDD/32VDD/3高高维持原电平不变维持原电平不变与与3脚相同脚相同电平高低电平高低任意任意任意任意低低（0.4V）低低低低第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 555555时基振荡电路工作原理时基振荡电路工作原理 555 555无稳态工作模式的基本电路如图所示。无稳态工作模式的基本电路如图所示。电路初次通电时，由于电容电路初次通电时，由于电容C1C1两端电压不能突变，两端电压不能突变，555555的的2 2脚为低电平，脚为低电平，555555时基电路置位，即时基电路置位，即3 3脚输脚输出高电平，内部放电晶体管截止，出高电平，内部放
13、电晶体管截止，7 7脚被悬空，脚被悬空，此时正电源此时正电源V VDDDD通过电阻通过电阻R1R1、R2R2向电容向电容C1C1充电，充电，使使C1C1两端电压不断升高，约经时间两端电压不断升高，约经时间t1t1，C1C1两端电两端电压即阈值端（压即阈值端（6 6脚）电平升至脚）电平升至2V2VDDDD/3/3时，时，555555时基时基电路翻转复位，电路翻转复位，3 3脚输出低电平，同时内部放电脚输出低电平，同时内部放电晶体管导通，晶体管导通，7 7脚也为低电平，此时电容脚也为低电平，此时电容C1C1储存储存电荷将通过电荷将通过R2R2向向7 7脚放电，使脚放电，使C1C1两端电压即两端电压
14、即555555的的触发端触发端2 2脚电平不断下降，约经脚电平不断下降，约经t2t2时间，电压降时间，电压降至至V VDDDD/3/3时，时，555555时基电路又翻转置位，时基电路又翻转置位，3 3脚又输脚又输出高电平，出高电平，7 7脚再次被悬空，正电源又通过脚再次被悬空，正电源又通过R1,R1,R2R2向向C2C2充电，如此周而复始，电容充电，如此周而复始，电容C2C2不断处于充不断处于充电与放电状态，电路引起振荡，电与放电状态，电路引起振荡，3 3脚将交替输出脚将交替输出高电平和低电平。高电平和低电平。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 5
15、55555时基振荡电路工作原理时基振荡电路工作原理 555555时基振荡电路输出振荡信号的时基振荡电路输出振荡信号的频率为：频率为：输出脉冲占空比为：输出脉冲占空比为：实训：如何设计一个555时基电路实现输出频率f为20K，占空比为60%的方波信号？第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声波发射电路超声波发射电路基于基于CD4049的驱动器的驱动器 本电路采用本电路采用CMOS六反相器六反相器CD4049构成驱动电路，构成驱动电路，为了增大驱动电流，可以采用为了增大驱动电流，可以采用CD4049中两个甚至三个中两个甚至三个方向器并联的方式实现。方向
16、器并联的方式实现。为什么两个反相器并联就可以提高驱动能力？答案：此电路结构称为桥式驱动方式，由于传感器具有高阻特性，其正常工作时需要一定的驱动电流，而每个反相器的输出电流（负载能力）是一定的。两个并联，输出电流加倍，驱动能力当然提高啦！第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 超声波发射电路超声波发射电路基于基于CD4049的驱动器的驱动器问题：左图的驱动方式是否合理，它与前续推荐的电路问题：左图的驱动方式是否合理，它与前续推荐的电路图有何不同？图有何不同？第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 实训实训2：超声
17、波发射电路的制作与调试：超声波发射电路的制作与调试实训目的：实训目的：1.理解理解555振荡电路的工作原理和调试技巧。振荡电路的工作原理和调试技巧。2.理解理解CD4049驱动电路的工作原理。驱动电路的工作原理。实训条件：实训条件：超声波发射电路板及配套元件一套、超声波接收电超声波发射电路板及配套元件一套、超声波接收电路板光板及接收头，直流稳压电源一台，示波器一台，路板光板及接收头，直流稳压电源一台，示波器一台，直尺一把。直尺一把。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 实训实训2：超声波发射电路的制作与调试：超声波发射电路的制作与调试实训方法：实训方
18、法：一、一、555时基振荡电路设计与制作：时基振荡电路设计与制作：实训要求实训要求：设计一个无稳态工作模式：设计一个无稳态工作模式的的555时基振荡电路，要求输出一个时基振荡电路，要求输出一个频率频率f为为20KHz，占空比为，占空比为60%的方的方波信号。参考电路如右图所示：波信号。参考电路如右图所示：步骤步骤1：根据：根据555时基振荡电路的基本工时基振荡电路的基本工作原理，计算相关参数值。主要计作原理，计算相关参数值。主要计算算R1和和R2的值。的值。步骤步骤2：依据参考电路制作电路板，调：依据参考电路制作电路板，调试电路板使之工作正常，用示波器试电路板使之工作正常，用示波器测试电路输出
19、是否符合预定要求。测试电路输出是否符合预定要求。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 实训实训2：超声波发射电路的制作与调试：超声波发射电路的制作与调试实训方法：实训方法：一、设置实验环境：一、设置实验环境：步骤步骤1：要求学生按照发射电路的电路图将配套元件焊接到发射电路：要求学生按照发射电路的电路图将配套元件焊接到发射电路板上，并连好线。注意依据板上，并连好线。注意依据“PCB设计中存在的问题设计中存在的问题”文档中提文档中提示修正电路板。示修正电路板。步骤步骤2：将电路板上的：将电路板上的PB0/XCK/T0测试点插针用排线短接到地，将测试点插针
20、用排线短接到地，将直流稳压电源输出直流稳压电源输出+5V电源信号到发射电路板上。用示波器测试电源信号到发射电路板上。用示波器测试555的的3脚，应该得到一个峰峰值约为脚，应该得到一个峰峰值约为5V的矩形波信号；调节的矩形波信号；调节VR1使频率可在使频率可在30K49K范围内连续可调整的矩形波信号，输范围内连续可调整的矩形波信号，输出确认信号频率输出情况。出确认信号频率输出情况。步骤步骤3：将传感器接收头焊接到超声波接收电路板光板上，将示波器：将传感器接收头焊接到超声波接收电路板光板上，将示波器的接地端子和信号端子分别连接超声波传感器接收头的两个输出的接地端子和信号端子分别连接超声波传感器接收
21、头的两个输出引脚。引脚。步骤步骤4：固定发射头与接收头的间距为：固定发射头与接收头的间距为10cm，并将发射头对准接收，并将发射头对准接收头，准备测试接收头接收超声波后产生的同频信号电压。头，准备测试接收头接收超声波后产生的同频信号电压。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 实训实训2 2：超声波发射电路的制作与调试：超声波发射电路的制作与调试直流稳压电源直流稳压电源示波器示波器发射头接收头TR振荡振荡电路电路驱动驱动电路电路+5V GND超声波发射电路超声波发射电路探头第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分
22、 实训实训2：超声波发射电路的制作与调试：超声波发射电路的制作与调试二、测试本实训系统的幅频特性：二、测试本实训系统的幅频特性：步步骤骤1：通通过过调调节节VR1，使使得得555的的3脚脚输输出出矩矩形形波波信信号号频频率率在在30K49K范范围围内内变变化化，从从而而实实现现产产生生不不同同频频率率信信号号（不不同同占占空空比比）来来驱驱动动发发射射头头。用用示示波波器器观观察察超超声声波波接接收收头头的的输输出出信信号号波波形形，记记下下 的的值值。请请按按照照如如下下表表格格设设置的频率数据要求进行测试，总计测试置的频率数据要求进行测试，总计测试30对数据。对数据。注意：要求测试每对数据
23、时，一定要首先用示波器准确调试注意：要求测试每对数据时，一定要首先用示波器准确调试输出的准确的频率信号后，再驱动发射头，测试接收头输出的准确的频率信号后，再驱动发射头，测试接收头产生的同频信号电压产生的同频信号电压。实训作业实训作业1：分析：分析30对记录数据，绘制输出对记录数据，绘制输出f 关系曲线，得关系曲线，得出超声波传感器幅频特性结论。出超声波传感器幅频特性结论。第第2 2讲讲 超声波测距仪的设计与调试超声波测距仪的设计与调试发射部分发射部分 实训实训2：超声波发射电路的制作与调试：超声波发射电路的制作与调试f(kHz)30K31K32K33K34K35K35.5K36K36.5K37K (V)f(kHz)37.5K38K38.5K39K39.5K40K40.5K41K41.5K42K (V)f(kHz)42.5K43K43.5K44K44.5K45K46K47K48K49K (V)表表1 1：测试本实训系统的幅频特性测试本实训系统的幅频特性