1、超声测距及报警系统的设计实验目的1、通过一些具有一定综合性和实际应用价值的电路设计，培养较大规模的数模混合电路的设计能力和设计技巧，培养严谨求实的科学作风和实际动手能力；2、通过分组实验，培养团队协作的精神，调动每个成员的积极性和主动性。系统功能本系统利用超声波测量探头与障碍物之间的距离，量程2.5m，测量误差R1。测得 f39.6kHz，D50%，V pp4.5V。2、脉冲调制电路调制脉冲的频率为显示数据的更新频率，设计为 2Hz 左右，即每隔 0.5s 字码管的读数更新一次；令调制脉冲为高电平时换能器发出超声波。每次发出的超声波的数目不宜过少也不宜过多，过少则容易衰减，过多则发射波与反射波
2、会产生叠加干扰。设计每次发出 816 个超声波，因此调制脉冲在一周期内高电平持续时间为 0.20.4ms电路同 1，取 C=1F ，R 1=750k，R 2=390，通过 74LS04 后反相输出。测得 f 1.9Hz，一周期内高电平持续时间约为 0.28ms，即每次发出 11 个超声波。超声波振荡电路与脉冲调制电路经与门后输出调制后的超声脉冲，如图 3所示。40kHz2Hz调制后的脉冲图 3 脉冲波形3、计数脉冲发生电路常温下空气中的声速 v340m/s，计数器每加 1 表示距离加 1cm，这段时间内声波走过 2cm，T=0.02/v ，故计数脉冲的频率 f50v17kHz 。电路同 1，取
3、 C=1nF，R 1=1k，R 2=39k。测得 f17.6kHz 。系统的测量精度主要取决于计数脉冲的频率，故实验中用一电位器与 R1 串联，对频率进行微调，以便校准。考虑到串入电位器后频率会降低，故上述设T=ln2(R1+2R2)CD=R2/(R1+2R2)计的频率偏高（无电位器） ，以保证足够的调节范围。4、超声波放大滤波器本电路由多级放大电路构成，每一级的反相输入端串入隔直电容，滤除低频分量，使放大电路呈现高通特性；同时运放自身的频响特性又使其表现为低通。二者结合构成带通放大滤波器。每级放大电路的增益不能太高，以保证引入负反馈后的上限截止频率大于 40kHz。实际电路采用三级放大，每一
4、级的电压增益为 10，总共放大约 1000 倍，如图 4 所示。图 4 超声波放大滤波电路对图 4 电路仿真得到的频响特性如图 5 所示。 y 0 图 5 超声波放大滤波电路的频率响应5、检波器：检波电路由电压比较器 LM393（OC）构成，如图 6 所示。将放大滤波后的正弦波变成矩形波。反相输入端参考电压应小于有效信号的峰值，大于噪声信号的峰值。输出高电平约为 5V，可直接驱动数字电路。R11kU2OP-073274618+-V+V-OUTOS1OS2Vcc0R210kC20.2u0VssC1470uR510kR61kVccR810kR71kC30.1u00U3OP-073274618+-V
5、+V-OUTOS1OS2Vi1Vac0VdcU1OP-073274618+-V+V-OUTOS1OS2R91kVssR41kR31kVccVssVccVccR21kR110k LM39332841+-V+V-OUT0Vi R31k图 6 检波电路二、数字电路部分1、计数及扫描显示电路该电路的主要功能是在超声波换能器发出超声波的同时开始计数，并在收到反射波后停止计数并显示结果。电路图如图 7 所示（为便于仿真，数字部分的电路图全部使用 MaxplusII 原理图格式绘制） 。图 7 计数及扫描显示电路电路输入：reset 为复位开关； clk 为 17kHz 左右的计数脉冲，同时也可作为字码管显
6、示的扫描脉冲；send 接 2Hz 的调制脉冲；receive 接检波器的输出，若收到反射波，该输入端应收到十几个 40kHz 的脉冲。send 与 receive 端输入波形的相对关系如上图右下所示。电路输出：OAOG 为 7 段译码输出，同时接 3 个字码管的相应输入端；q1q3 分别接各字码管的接地端，当输出低电平时字码管亮，高电平则灭。其中 q1 接最高位字码管，q3 接最低位。一般数字电路输出低电平时的灌电流能力较强，经测试，上述方法可以驱动 1 个字码管。各模块组成：上图中“count3”为 3 个 D 触发器构成的环型计数器，系统启动时 q1q3置为“110” ，即最低位的字码管
7、亮。此后在扫描脉冲的作用下，q1q3 按“110”“011”“101”“110”循环，每个状态下 0 对应的字码管亮。“12D-Latch”为 2 个 74LS373 构成的锁存器，存放 3 组 BCD 码，G 为高电平时输出跟随输入，低电平时锁存。“Multiplexer”为 2 个 74LS153 构成的四 4 选 1 选择器， B、A 为地址输入端（B 为高位） 。如 BA=10 时，1Y=1C2，2Y=2C2 ，3Y=3C2 ，4Y=4C2。“3bit-counter10”为 3 个 74LS90 构成的三位 10 进制计数器（0999） ，R0为清零端（1 有效） ，3QA 表示最高
8、位 BCD 码的最低位，余类推。“rs-ff”为 2 个或非门构成的 RS 触发器，输入高电平有效。以上模块电路分别如图 8图 12 所示。图 8 count3图 9 12D-Latch图 10 Multiplexer图 11 3bit-counter10图 12 rs-f工作原理：取环型计数器的某两个输出作为选择器的地址输入，如取 q1、q2。当q1q3 为“011 ”时，最高位字码管亮，BA=01 ，各选择器的 Y=C1，即将3QD3QA 译码输出，显示计数器的最高位。余类推。这样在每一状态下，三个字码管有且只有一个工作。当扫描频率足够高时，人眼的视觉暂留使人感觉三个字码管同时显示。RS
9、触发器构成一个双稳态电路 。当调制脉冲(send)变为“1”时，Q=1， QN=0，计数器开始计数，锁存器的输出跟随输入变化；当收到第一个反射波时，即 receive 端变为 1 时，Q=0，QN=1，锁存器将计数器的数据锁存并扫描显示，同时计数器清零。此状态一直保持到下一个调制脉冲到来。RS 触发器输入输出波形的关系如图 13 所示。图 13 RS 触发器 I/O 波形2、报警电路：报警控制电路如图 14 所示（counter10 为 74LS90 构成的十进制计数器，图略） 。系统输入：alarm_set：报警设置 /结束设置 =1/0；select：选位脉冲，使待设数字在三个数位间切换；
10、alarm_value：设置报警数字的计数脉冲；scan：扫描显示的脉冲；cp：测距时的计数脉冲；reset：复位；r0：计数器清零，1 有效。图 14 报警控制电路工作原理：当 alarm_set=1 时，开始设置。按动 select 键可在三位间选择某一位进行设置，此时 select 键输入的脉冲与扫描显示的脉冲作用相似；当选中某一位后，按 alarm_value 可实现加计数，并在相应位的字码管上显示；各位均设置完毕后，使 alarm_set 变为 0，则保存设置，并回到测距状态（考虑到实际需要，本电路不对厘米位进行设置） 。该电路的优点是可以进行逐位设置，置数比较方便；设置报警与测距使
11、用同一组计数器，减小了系统的规模。对某一位进行设置时，该位对应的计数器工作。图中三个计数器的时钟 cp1cp3 以及环型计数器的时钟 clk 与输入之间的逻辑关系如下：cp1=cp+alarm_set；cp2= alarm_setQ2+1QD+ alarm_setalarm_value；cp3= alarm_setQ1+ 2QD+ alarm_setalarm_value；setalrm_clk= scan+ alarm_setselect。setalr_例如，当 alarm_set=1，Q2=0 时，1QD=0，cp1=1 ，cp2=alarm_value，cp3=1 ，按 alarm_va
12、lue 键可使 cp2 动作，从而完成对中间一位的设置，其它各位保持不变。比较及报警电路如图 15 和图 16 所示，其中 alarm_control 模块即为图 14的电路。图 15 比较器图 16 报警电路当 alarm_set=1 时，锁存器输出随输入变化，显示设置的数值；当结束设置时（alarm_set=0） ，74373 将该数值锁存，电路回到测距状态，显示距离值。收到反射波后 RS 触发器翻转，显示器停留在某一数值，比较器将其与设定值比较，从而判断是否报警。比较器 Comparator 由 74LS85 级联构成（图见下页） 。RS 触发器输入端 R= ，保证在报警设置时 R=0，
13、使计数setalrmreciv_器不被清零，12D-Latch 锁存器不锁存。使用说明 正式测量前先设定报警临界值，这时令 alarm_set=1，因此cp1=1， cp2=Q2+1QD+alarm_value，cp3=Q1+alarm_value，clk=choose，R=0，S=1；于是，按动 choose 键可选中欲设置位（考虑到实际需要，本电路不对厘米位进行设置） ，再按 alarm_value 可实现加法计数，这时锁存器输出随输入变化，相应数码管显示设置的数值。设定结束时，令 alarm_set=0，锁存器 74373 将预置数值锁存，系统进入测距状态。此时 cp1=cp，cp2=1
14、QD，cp3=2QD ，clk=scan，R=receive，S=send。因此，当调制脉冲上升沿到来时，超声波换能器发出超声波，计数器开始计数；当收到反射波时，RS 触发器翻转，计数器停止计数，当时的计数值（测量值）被锁存在锁存器“12D-Latch”并根据 Q1Q3 的状态经多路选择器“Mutipliexer”和译码器 “7449”送到数码管显示。与此同时，计数器清零，等待下一个调制脉冲的到来；比较器“comparator”将测量值与设定值比较，以判断是否报警。测试结果经过最后总装调试，各部分电路均能够正常工作。演示时显示距离为2.26m，与测量值误差小于 1cm；报警设置为 1.0m，障
15、碍物距离小于该距离即报警，否则不予报警。*实验总结1、实验中遇到的问题及处理方法：（1）555 脉冲电路对电源产生干扰，特别是 40kHz 的频率较高的脉冲信号，导致其它电路如计数器、字码管等不能正常工作。这一问题我在暑假设计调试数字电路时就曾遇到过，但一直不得其解。有效的解决方法是在电源和地之间串入较大的电容进行滤波，且该滤波电容的位置应尽量靠近干扰源。这是一条很宝贵的经验。（2）起初二阶带通滤波器存在自激，自激波形为 36kHz 左右的比较稳定的正弦波，曾误以为是输入信号。后来老师告诉我们，这种带通滤波器经常会产生自激，我们就将该带通滤波器撤除。由于超声波换能器本身就有较好的频率选择性，因
16、而可以起到带通滤波器的作用；（3）测距的量程不够，开始只有 0.6m 左右。通过调整放大器的增益、改变隔直电容的大小、增大运放的电源电压、降低比较器的参考电压以及改变换能器探头的摆放位置等措施，最终使量程超过 2.5m。2、设计及调试电路的经验：（1）本次实验的设计工作主要是数字电路部分。对计数器清零的处理方式是比较独特的。许多小组采用了脉冲清零的方式，即在调制脉冲到来的瞬间靠窄脉冲将计数器清零，然后开始计数，有的甚至用门电路的延时来构造窄脉冲。这样做有很多缺点：若清零脉冲较宽，从清零到开始计数会有一个延时，即开始计数之前超声波已发出，这样会带来一定的误差，且这种误差是非线性的，不能通过调整计
17、数器的频率来补偿；若清零脉冲较窄，在电路中将构成一个“人造毛刺” ，对清零的可靠性及电路的稳定性都会带来不利影响。假若设计的是红外或激光测距，哪怕只有几 ns 的延时也是不能忽略的。我在设计中 采用了RS 触发器，在收到反射波后就将计数器清零，并保持到下一个调制脉冲到来。这样即保证了系统的状态可靠地变化，又减小了电路设计带来的误差，使测量误差基本上由计数脉冲的频率决定。我认为，这是本组产品达到较高测量精度的主要原因；（2）报警电路的设计充分利用了已有的电路结构，控制部分基本上由门电路构成，没有再增加计数器、触发器等元件。虽然连接电路时比较繁琐，但在做集成电路的时候，这些门电路的成本将比计数器等
18、元件低得多；（3）扫描显示的目的是减少输出管脚，降低成本，便于集成；（4）数字电路的设计采用了 CPLD 工具，缩短了设计的周期，增强了系统的可靠性，并可以监测系统资源以判断系统的优劣；（5）设计模拟电路不能指望一次成功，应先估计一个适当的范围，再进行微调。本次实验电路中多处使用了电位器，效果很好；（6）模拟电路部分大多没有经过软件仿真。对于较为简单的电路，我认为经验更为重要，如 555 的干扰问题就是计算机无法解决的。计算机仿真只提供一般的规律，如某个参数变化时会对电路产生什么影响等。 “绝知此事要躬行” ，实践才是经验的真正源泉。总之，这次实验使我收益匪浅。几经周折后实验终获成功，这得益于
19、老师的指导和集体的智慧。在此向热心帮助我们的老师们表示衷心的感谢！无 03 班 张鹏（001173）2002/8/27附：主要元器件清单型号 名称 数量 型号 名称 数量R(T)40-16 超声波换能器 2 74LS04 六反相器 274LS00 四 2 输入与非门 1 74LS10 三 3 输入与非门 174LS08 四 2 输入与门 2 74LS32 四 2 输入或门 174LS27 三 3 输入或非门 1 74LS74 双 D 触发器 274LS85 四位数值比较器 2 74LS90 二五进制计数器 34LS153 双 4 选 1 选择器 2 74LS249 4 线-七段译码器 174LS373 八 D 锁存器 3 OP-07 运算放大器 3LM393 双电压比较器 1 NE555 定时器 3
