1、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/10Vrms sine wave)灵敏度：-82dB/v/u bar(0dB=v/pa)；余振：1.2ms；-6dB 方向性(度) ：6010电容： 2000pf10%；最大输入电压(Vp-p
2、)： 150(40KHz)使用温度范围：-35+80储藏温度范围：-40+854、 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=100V150V，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=60mV2V，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，
3、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，20092 张国雄主编 测控电路 机械工业出版社，第 4 版1、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 05V 的方波激励信号，并通过升压激励电路最终能输出 VPP=100V150V，f=40K
4、HZ 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=60mV2V，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
5、声波传感器，其中心频率f0=(4001 0)kHz，-3 dB 带宽 1 kHz。驱动电压峰一峰值要求 60150 V。CD4052 是双路四选一模拟开关，单片机的 P34 和 P35 端口输出选通信号，单片机的 P33 端口输出一串 40 kHz 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 100 VP-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
6、 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 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工
7、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 2 555 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，
8、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。暂稳态的维持时间，即输出 Vo 的正向脉冲宽度 T10.7(R1+R2)C；暂稳态的维持时间，即输出 Vo 的负向脉冲宽度 T20 .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，由上述条件可得 D=（R1+R2 ）/（R1+2R2） ，若使 R2R
9、1，则 D1/2，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*ln20.7*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*ln20.7*(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)*C555 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
10、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 4 555 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
11、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，
12、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100V150V，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，
13、因此，我们需要在电容的一端输出 100V150V 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 60mV2V 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
14、升压使输出端能输出 VPP=100V150V，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100V150V 信号时，在另外的超声波回波电路输入端会接收到一个VPP=60mV2V，f=40KHZ 的信号。当在超声波回波接收电路输入端输出 VPP=60mV2V，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。4、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
15、用 Multisim10 软件仿真设计试验中，我们用 555 定时器产生05V 的方波，并通过 变压器升压激励模块将方波升压为100V150V，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 6 555 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=60mV2V，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
16、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。
