《電子技術》課程設計報告
設計題目： 超聲波測距儀
學院班級
姓名學號
2023年1月5日
1.結合所學的電子電路的理論知識完成硬體超聲波測距儀設計與製作；
2.通過該設計學會並掌握常用電子元器件的選擇和使用方法；
3.提高自己綜合分析問題和解決問題的能力。
運用模擬電路、數位電路與tct40-16型超聲波換能器設計並製作乙個以硬體電路實現的超聲波測距儀。
表引數1. 輸出乙個直流電壓訊號表示測得的距離；
2. 以市售數字電壓表測量並顯示該電壓值；
3. 距離與直流電壓應存在比較簡單的對應關係。
由物理學知識，聲波在空氣中傳播的速度近似為一常數，故若測得從超聲波發射至接收到反射波的時間為，則，即被測距離與時間t成正比。
由電子學知識，占空比為，高電平電壓為的pwm波經低通濾波後可得直流電壓，其值為，與d成正比。
故本方案設計為：輸出乙個pwm波，其正脈衝對應超聲波從發射到接收的時間。則由上述知識可知，低通濾波器將輸出乙個與被測距離成正比的直流電壓訊號。
只需合理選擇引數，即可調整比例係數使得所測距離適合在數字電壓表上直接讀取。
圖1.系統模組框圖
由於超聲波換能器的通頻帶比較窄，偏離中心頻率將導致換能效率大幅下降，因此需要設計乙個精確的40khz振盪器。
受限於目前的工藝水平，電容元件的精度只有10%左右，因此若使用rc振盪電路則必須設定可調電阻進行除錯，增加電路複雜性，並且容易產生漂移。
而晶體諧振器則在頻率精度、溫度穩定性、時間穩定性及**上具有很大優勢。以8mhz晶振諧振器為頻率基準、74hc04為高增益反相放大器的振盪器經整形能輸出8mhz方波，經一片cd4518雙十進位制計數器級聯進行100分頻後，生成80khz、占空比為20%的方波，再經一片cd4518進行二分頻，得到40khz、占空比為50%的方波。
圖2所示電路將從圖中標號為22的網路輸出40khz方波。
圖2.40khz訊號發生器
根據超聲波測距的原理，需要不斷傳送短促的超聲波脈衝序列，並測量從發射到接收的時間。因此需要生成乙個週期較長，占空比較小的閘門訊號。在閘門訊號有效時對外發射超聲波，當閘門訊號關斷時停止傳送，等待返回的超聲波訊號。
根據超聲波測距的原理，閘門訊號週期應大於聲速與兩倍量程上限所需時間的乘積，閘門訊號有效時間應使超聲波換能器穩定振盪。考慮到本測距儀的設計量程為5公尺，故設計閘門時間週期t約為30ms並可調，閘門有效時間約為500s。
設計使用時基積體電路ne555作為閘門訊號發生器，採用典型的多諧振盪器電路。閘門開啟時間固定為693s。若調節則可改變閘門訊號週期。
圖3所示電路將從圖中標號為24的網路輸出閘門訊號。
圖3.閘門訊號發生器
為使超聲波發射換能器能在閘門開啟時間內工作，需要將閘門訊號調製到40khz振盪訊號上。由於閘門訊號為負脈衝，需要用74hc04反相器轉化為正脈衝後，對40khz振盪訊號用74hc00與非門進行調製，形成輸出給換能器的訊號。
為了使超聲波發射換能器輸出最大功率，需要在其兩個電極上加反相信號，即使用類似btl功放的橋式驅動方式。驅動電路使用了74hc04中剩餘的3個反相器，故整個系統僅需一片74hc04，達到節省元件的目的。
圖4所示電路中，標號為25的網路輸入閘門訊號，標號為27的網路輸入40khz方波。
圖4.開關與換能器驅動電路
超聲波接收換能器可等效為乙個高內阻、低幅值的訊號源，需要設計乙個放大電路。
這裡選用單電源整合雙運放lm358作為運算放大器，使輸出具有較大擺幅，且便於設定兩級放大，避免單級放大倍數過大產生訊號失真。
圖5所示電路將從圖中標號為7的網路輸出經放大的反射超聲波訊號。
圖5.接收放大電路
經接收放大電路放大的模擬訊號需要經過乙個比較器轉化為數碼訊號，然後與閘門訊號一起接入由74hc00剩餘的兩個與非門構成的rs觸發器。這樣可以充分利用已有器件的功能，節省成本。
圖6所示電路中，標號為3的網路輸入放大電路輸出訊號，標號為6的網路輸入閘門訊號，標號為5的網路輸出被測pwm波。
圖6.訊號調理電路
圖7.訊號波形示意圖
由波形圖，輸出pwm波的占空比為d=t/t，由於工作電壓vcc=5v，輸出電壓為v=5t/t。為了讀數方便，令比例係數k=1v/m，則由方程解得。此時數字電壓表的示數即為所測距離。
圖8.系統原理總圖
圖9.實物電路
注：由於元件採購渠道不暢等原因，40khz振盪器及閘門訊號發生器無法搭建，這裡使用一片stc12c5202ad微控制器模擬對應部分的波形。
圖10.測量到上鋪床板的距離
圖11.測量到天花板的距離
圖12.標定測距
經實踐檢驗，本系統設計比較合理，工作穩定，且均採用廉價易得的元件，有一定實用價值。
但本設計仍有改進的餘地，例如：可用變壓器或max232等電平變換晶元進一步提高超聲波發射換能器的輸入電壓，使得測量距離更遠，效能更穩定，對環境的適應性更高。
[1]秦曾煌.電工學（第六版）.高等教育出版社,2004.
[2]蘇州瑞寧電子****.tct40-16tr1壓電陶瓷超聲感測器規格書.
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