综合电子设计指导书刘嘉新编著机电工程学院教学实验中心电子信息综合实验室综合电子设计指导书1课程设计任务与要求1.1设计项目智能超声波测距仪的设计1.2设计任务本设计采用超声波传感器，以单片机为核心，实现非接触式距离智能距离测量。显示模块是一个的数码显示；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米。1.3性能指标（1）具有反射式超声波测距功能，测量距离0.3m～2.0m；（2）测量距离精度：误差±1cm；（3）实时显示测量的距离，并有小数点显示位；（4）可以手动设置安全距离；（5）汉字提醒显示：距离在0.2m～2.0m，为“危险距离”用红色LED灯指示；距离在3.0m以上,为“安全距离”用绿色LED灯指示；（6）蜂鸣器报警（7）测距仪具有温度补偿功能，并显示当前温度（该项内容选做）。（8）其他创新设计2设计方案2.1设计方案一采用时差法的超声波测距仪，需要两个用到两个参数：超声波从发射到接收的时间t及其环境温度T。因此，相应地超声波的硬件包括单片机小系统、超声波发射电路、超生波接收电路、温度补偿电路等。发射用的超声波传感器的驱动方式有自激型与他激型之分。自激型振荡电路就像石英振子，利用超声波传感器自身的谐振特性使其在谐振频率附近产生振荡（皮尔斯振荡器）。他激型驱动电路可以使用多谐振荡器或单片机，具有可以自由选择振荡频率的优点，这也带来频率不够稳定的缺点。基于单片机的超声波测距仪的系统框图如图2-1所示，该系统由单片机最小系统、超声波发射驱动电路、超声波接收电路、温度补偿电路等组成。超声波传感器驱动信号通常采用方波脉冲驱动方式。为了给超声波传感器提供足够的能量，脉冲个数的选择既要保证接收信号幅度，又要缩短接收信号的长度。因此，本系统采用发射10个脉冲的脉冲簇方案。由单片机定时器产生40KHz频率的振荡信号产生，通过门电路将信号幅度升至12V以驱动换能器。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机控制程序使单片机输出载波为40KHz得10个脉冲信号，通过门电路驱动电路加到超声波发送传感器上，当第一个脉冲群发送结束后，单片机片内定时器开始计时，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计时，这样就得到发射到接收的超声波渡越时间，计算出距离，由显示器显示出来。图2-1基于单片机他激型的超声波测距仪的系统框图2.2设计方案二该方案与方案一的区别是，其中的发射用超声波传感器驱动电路是使用时基电路NE555的他激型驱动电路。单片机的I/O口发出信号控制信号使555定时器置位，同时开启定时器开始计时，此时，NE555定时器产生40kHz的振荡信号，由超声波传感器发射探头将电信号转换为脉冲数为10的脉冲串发射出去。图2-2基于时基电路他激型的超声波测距仪的系统框图3理论分析与计算3.1超声波传感器主要性能参数超声波测距，可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。压电式超声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种传感器统称为压电式超声波探头，它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为发射探头；正压电效应是将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。本设计选用压电振动式超生传感器TCT40-16R/T(直径16mm），实物如图3-1所示。其主要性能指标如下：（1）标称频率（KHz）：40KHz（2）发射声压at10V（0dB=0.02mPa）：≥117dB（3）接收灵敏度at40KHz(0dB=V/ubar)：≥-65dB（4）静电容量at1KHz<1V(PF)：2000±30%（5）拖尾时间：≤1mS图3-1TCT40-16R/T超声波传感器实物图超声波传感器结构如图3-2所示，a为超声发射器b为超声接收器。图3-2TCT40-16R/T超声波传感器结构图1—外壳2—金属丝网罩3—锥形共振盘4—压电晶片5—引脚6—阻抗匹配器7—超声波束3.2超声波传感器的等效电路图3-3是超声波传感器的等效电路。由图可以看出，它可以等效为一个rLC串联谐振电路。图3-3TCT40-16R/T超声波传感器等效电路图3-4是它的电抗特性。图的左侧与右测都是电容性（可以看作一个电容器），而中间为电感（可以看作一个电感器）