超声波测距总结报告

电子技术实验课程设计

超声波测距系统

总结报告

自03

胡效赫

2010012351

一、课题内容及分析

首先根据课程所给的几个题目进行选择，由于自己最近在做电子

设计大赛的平台设计，希望对超声波测距在定位方面应用有更详尽的了解，所以选择课题三——超声波测距作为课程设计，内容如下：

对课题进行分析：实验提供超声波传感器T40-16和R40-16，利用面包板和小规模芯片搭接电路，实现距离的测量及显示。大致思路即驱动发射端发出超声波，接收端收到返回的脉冲进行处理与计算得到测量距离并通过数码管和蜂鸣器显示。

二、方案比较与选择

由于超声波测距方案原理基本相同，只要能够检测出发射到接收的时间，并通过相应计算就可以得到所测距离。所以问题大致分为驱动发射端、接收端检测、间隔时间计算与计算结果显示四部分。

具体的方案设计如下：

闸门脉冲源产生基准宽度为T 的闸门脉冲，该脉冲一方面控制计数电路的计数启动和并产生计数器清零脉冲，使计数器从零开始对标准脉冲源输出的时钟脉冲（频率为17KHz）计数。同时开启控制门，超声波振荡器输出的40kHz脉冲信号通过控制门，放大后送至超声波换能器，由发射探头转换成声波发射出去。该超声波经过一定的传播时间，达到目标并反射回来，被超声波换能器的接收探头接收变成电信号，经放大、滤波、电压比较和电平转换后，还原成方波。图中的脉冲前沿检测电路检测出第一个脉冲的前沿，输出控制信号关闭计数器，使计数器停止计数。则计数器的计数值反映了超声波从发射到接收所经历的时间（或距离）。

三、模块化设计及参数估算

1、闸门控制模块

l 设计思路

555振荡电路产生频率为2Hz的脉冲，作为闸门脉冲源。

RC微分电路将输出的2Hz脉冲进行微分运算产生脉冲信号，作为计数启动和计数清零的信号，分别控制D触发器的置高端和74LS90的清零端。

l 参数设计：

555振荡电路T = (R₁+2*R₂)*C*ln2。其中R₁取4.7kΩ，R₂接入10kΩ滑动变阻器，最后实测7.51kΩ，C取47uF。

RC微分电路R为1kΩ，C为4.7nF

2、超声波发生模块

l 设计思路

555振荡电路产生频率为40kHz的脉冲，作为驱动超声波发射端

的基础脉冲信号。

同时由2Hz闸门信号作为门控（高电平有效）。

再利用电压比较器，对555脉冲信号进行整形，而后输出。

l 参数设计

555振荡电路T = (R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取2kΩ，R2接入

1kΩ滑动变阻器，最后实测440Ω，C取10nF。

3、超声波接收模块

l 设计思路

电压放大电路，利用LF347放大超声接收端信号

电压比较电路，利用电阻分压设计阈值电压V_REF，当没有接收到信

号时V_-大于V₊,输出为负，当接收到信号时V_-小于V₊,输出为正。

稳压电路，电压比较器输出端接1kΩ电阻，反接5V稳压管接地，使没有信号即输出为负时，输出-0.7V电平，有信号即输出为正时，输出5V电平。

l 参数设计

放大电路电阻值为1kΩ和750kΩ，放大倍数为750。

电压比较器V_REF由100kΩ电阻和100kΩ的滑动变阻器分压决定，

最终滑动变阻器阻值取为5.68kΩ，V_REF取值大致为-0.6V。

4、计数控制模块

l 设计思路

计数控制模块由，计数启动和计数停止控制组成。由D触发器进行实现

当计数开始时闸门信号的微分电路给出低电平脉冲将Q置高，计数信号有效。而接收到回波后，接收信号由低变高，CLK产生上升沿将Q置低，计数信号关闭。

5、计数模块

l 设计思路

555振荡电路产生17kHz的脉冲型号用来计数

三个74LS90级联，采用十进制接法计数，分别对应米、分米、厘米。

计数信号控制源由计数控制模块的D触发器的Q信号给出

计数信号清零源由闸门控制信号的微分模块经由缓冲器后给出高脉冲清零。

l 参数设计

555振荡电路T = (R1+2*R2)*C*ln2。其中R1取5.1kΩ，R2接入

47kΩ滑动变阻器，最后实测18.98kΩ，C取2.2nF。

6、报警模块

l 设计思路

令A_[4]，B_[4]，C_[4]分别对应米、分米、厘米，同时当模块计数时报

警应该无效，设D触发器输出信号为Q，则

逻辑函数Alarm = A1’A0’B3’B2’B1’Q

利用与非、或非及非逻辑运算搭接电路

四、实验电路总图

1、电路原理图

2、时序图

3、面包板布局

五、实验结果与实验中出现的问题分析

1、实验结果

结果：基本要求及提高要求全部完成。其中四个地方用到了滑动变阻器分别是三个555的脉冲源（产生2Hz、17kHz和40kHz的方波）和接收模块的电压比较器阈值电压V_REF的确定。调试结果的各阻值已在模块设计中标明。

2、实验中出现的问题及分析

A．微分电路输出信号的检查

开始分模块调试时，不会测量微分电路输出的脉冲信号，然后不能确定问题出现在下级还是本级。经过老师的提示，只要把示波器显示的波形调到最粗最亮，调成相应扫描速度，可以看到面板上有亮点间歇显示。从而验证微分电路输出信号无误，并且幅值正确。

B．数码管显示不稳定

数码管显示不稳定，多数原因是由于数字电路与模拟电路相互干扰，计数器中混有杂波和高频信号。用示波器测量计数电路的74LS90的信号，发现有17kHz的杂波。首先将模拟地和数字地分开将555振荡电路的地直接由引线接到学习机上，而后数码管开始显示，但仍不太稳定。再在VCC和GND之间跨接0.1uF的电容滤掉杂波。之后数码管稳定显示。

C．信号输出不正确

D触发器输出电平Q在未接受到信号时应该是低电平，但始终是高电平。开始时不确定前级各模块的正确与否，有些停滞，之后确定前级信号正确，D触发器接线正确，而输出信号不对，则一定芯片的问题。换了芯片之后，输出正常。

六、收获、体会和建议

1、收获与体会

本次实验充分体会电路模块设计与调试的过程，对于设计电路和测试电路的能力有了更一步的提升。

首先，搭接与调试电路时，应该本着自顶向下逐步求精的原则，在理解原理并确定原理正确之后，先对于面包板的布局进行规划，把相应的芯片测试后，插到相应部分，保证后面搭接时方便并且思路清晰。

然后，按分模块逐级搭接调试的原则测试电路，保证了每一级的输入信号都是正确的后，如果输出不正确，去检查接线，接线正确后检查芯片是否正常工作。

最后，发现信号干扰问题，尝试用滤波，分离数字地和模拟地，以及简单的搭接电容的方法，解决干扰。

依照上述方法调试电路，保持一颗正常心态，可以高效并且正确的完成问题。

2、建议

由于整个实验过程中只需要，测量接收波形的上升沿，所以对于模拟电路中波形整形处理部分现对简单。现提出以下课程建议：

建议老师将提高要求的测量距离改为高于3m，这样同学们利用波形放大然后与阈值电压比较的方法就不能实现了，因为相应的杂波干扰也会随之放大，冲过阈值电压，影响结果。所以此时同学应该使用选频电路选出40kHz的波形，控制后面的计数模块，对于模拟电路部分会有更高的锻炼。

附工作日志

8月21日

经过周末的预习，查找了关于超声传感器的原理知识和超声测距的相关内容。分析了超声测距的实现方案，并将电路分为各个模块实现，每个模块进行了相应仿真（但有些仿真结果不理想，待硬件实测）。

本日上午首先针对超声测距系统方案中的几个模块与同学进行了讨论，包括方波频率的选择与实现，闸门信号的实现与清零，以及面包板的布局合理性。

而后首先搭接了三个555方波发生器。上午只搭接测试出了，40kHz的方波

本日下午再次对于板子的规划进行思考，并大致划分了区域，把相应用到的芯片放到了相应的位置。然后搭接测试出了2Hz方波。分别测试两种方波的频率均很稳定，效果不错。而后开始搭接超声发射模块的实现，将两种频率的方波进行逻辑运算，经由LS00，信号传至运算放大器LF347，将信号与2.5V电压值进行比较，得到最终的大约0.5s驱动一次超声波发射器的效果。

但是遇到的问题是，当2Hz和40kHz的方波共同输入到LS00中时，对2Hz的方波进行测量，示波器显示的频率很难稳定下来，发现混有杂波，可能是40kHz的杂波，也可能是交流成分。进行了各种测试，重新退到上一步骤，检查芯片的问题，等等。但是问题并没解决，后来怀疑是示波器测量可能不是很准。直接测量最终运放发射的信号，发现效果正常。问题解决。

而后进行超声接收信号接收处理的部分电路的搭接，以及触发器电路的搭接。之后搭出17kHz的脉冲源后，下课。

晚上又把数码显示和蜂鸣器部分搭出来了，明天分模块测试。

8月22日

由于昨天已经把各个模块全部搭好，今天开始分模块测试和模块的联调测试。

今天下来调试结果：

超声波发射模块调试通过正常运行，并且接收模块可以接收到相应信号，在示波器上显示相应波形。40kHz的555脉冲源正常，2Hz的555脉冲源正常，经过LS00运算后，到LF347正常驱动T40-16，而相应的R40-16接收到反射的超声波信号后，产生较大幅值的波形（较之原有的干扰信号），可以通过放大，与阈值电压比较后得到相应的脉冲信号（没有接收到信号时，信号为0，大于阈值电压，最终输出低电平信号-0.7V；接收到信号后，信号为负，小于阈值电压，最终由于稳压管稳压后输出高电平5V）。即，当调整出较好的阈值电压后接收到超声信号后会产生相应的上升沿信号。

对于闸门信号的作用部分，由74LS74双上升沿D触发器来完成。对2Hz脉冲信号进行微分运算，上升沿时给出正脉冲，经由40106COMS施密特反相器可以得到一直是高电平闸门信号时给出低电平和一直是低电平闸门信号时给出高电平的信号。将LS74的置高端接前者信号，给出低电平脉冲时D触发器被置高，而只有CLK信号给出上升沿后才能将D触发器置低。

！！！但是输入信号都测出来了，输出不对哎有木有

所以明天LS74是重点哎有木有！！！

而后是计数器显示模块，需要有17kHz的555脉冲源，搞定。与经由闸门信号控制锁存后的Q输出端进行逻辑运算（LS00），结果输出到LS90中进行计数并在数码管中显示。同时从计数的信号端中做组合逻辑实现低于0.2m时报警。同时计数器的清零信号由闸门信号微分运算后COMS施密特反相器整形后得到。

开始没有产生555脉冲信号的时候，将CLK和CLR用学习机模拟，效果很好，接上555后发现数码管不稳，有木有！！！

模拟地和数字有干扰有木有！！！想办法有木有！！！

数电电子技术实验考核的时候就有这个问题木有解决，明天上午一定要解决有木有！！！

8月23日

今天来到实验室后重新整理了思路，调整了心态。理清了各个模块的作用关系，由最初级开始逐级测试，当确定D触发器的输入信号均正常，并且接线正常，而输出不正常，所以果断换了74LS74。突然之间信号变好了，然后数码管开始工作了，无比的开心。直接找助教验收基本实验，助教发现信号并不是很稳定，然后感觉计数器和数码管显示部分仍有杂波干扰，在VCC和GND之间接入0.1uF，信号稳定了，基本实验调试通过。好开心，有木有。而后通过改变阈值电压，使阈值电压接近0V，将距离较远处的返回信号，也作为有效信号。然后通过了提高要求。搞定！