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1、第一章 绪 论1.1 概述目前，超声波测距系统已广泛应用在民用及国防工业中。例如，用超声波测距系统可以探测海洋潜艇的方位、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物的形状及方位；利用超声波的传播时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物产生的反射波来确定物体内部损伤的位置以及状态，称之为无损探伤；利用超声波测距系统辅助机器人确定自身位置，从而准确避开障碍物，按照预定好的行进方向来完成任务。另外还有应用于液面探测、矿井探测、汽车报警、物位的测量等相关领域。超声波测距系统主要是利用超声波在介质中传播时表现出来良好的性质进行距离测量的，与军事、大型工业领域广泛采用的微波雷达测距、激光测距等技术相比，这种检测技
2、术难度相对较小，成本低廉，不易受环境的限制，应用起来比较方便、迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能够达到工业使用的要求，因此超声波测距技术得以广泛的推广和应用1-5。超声波测距系统虽然被大量应用于各种工业领域，但在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距系统共同工作的条件下会产生相互影响，另外测距的盲区比较大，这些固有的特点限制了其进一步广泛应用。在目前使用的超声波测距技术中，应用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脉冲回波检测法，其原理是通过传感器发射超声波，并接收从被测目标反射的回波信号，确定超声脉冲从发射到接收的时间，然后再根据超声波传播速度，计算出超声波传感
3、器于被测物体之间的距离。超声波测距系统的设计结构种类繁杂，性能差异也很大。目前市场上主流的超声波测距系统大多数是用单片机作为主控芯片，产生驱动信号，并且接收回波，控制通讯。但由于声波的传播速度会受到温度及介质的不同而产生变化，对于高精度要求的测量，基于单片机的超声波测距系统就需要对单片机内部的程序参数进行重新设定，并下载到单片机内。这在复杂环境条件下是很大的难题，因此基于模拟电路和数字电路的超声波测距系统对比单片机系统有着相当大的优势，它可以通过在逻辑计算电路中增加可调电阻的方式对参数进行调整。1.2 超声波的特点当物体产生震动后会通过介质产生声波。声波每秒振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹
4、。人耳能听到的声波频率为2020000赫兹。当声波的频率小于20赫兹或20000赫兹时，人便听不见声音了。因此，人们把频率高于20000赫兹的声波称作“超声波”6。超声波和可以听到的声波本质上都是机械震动，都是以纵波的方式在介质中传播，但超声波的频率更高，波长更短。超声波在介质中产生机械振荡，传播速度不及光波，但其纵向分辨率较高。超声波对周围环境中的色彩，光强，光线和电磁波不敏感，对于处于复杂环境的被测物如黑暗，电磁干扰，有毒等恶劣环境下超声波基本不受环境的影响可以正常工作。超声波在介质中能量消耗较小，可以传播更远的距离，声波的传播速度不受频率的影响，所以军事，工业，科技等很多方面都选择超声波
5、测距系统并大量的运用7-8。1.3 超声波测距原理超声波测距的方法有很多，例如相位检测，声波幅值和渡越时间等检测方法。这几种检测方法各有优缺点，相位检测法相对其他方法精度高，但是检测范围较小，不能应用与长距离检测，声波幅值检测法对反射波要求较高。所以通常条件下渡越时间检测方法是最为常用的超声波测距方法，在超声波检测技术中，最主要的是利用了超声波反射、折射、衰减等物理特征来实现检验。渡越时间检测法基本的工作原理是：超声波换能器由脉冲信号产生超声波，通过介质传播到被测物体，形成反射波；超声波传感器检测到反射波，并由传感器把声波信号转换为电信号，再通过逻辑计算出超声波在介质中传播的距离，利用公式：
6、（1.1）就可以确定超声波检测设备到前方物体之间的距离。超声波传感器又分为自发自收传感器和只有单独的发射或接收功能的传感器。本文采用的是一发一收的双传感器的设计，传播介质为空气9-10，超声波测距原理如图1-1。图1-1 超声波测距原理图渡越时间测量法：（1） 直接计数法发射一串超声波脉冲，在发射脉冲串时开始计时，在超声波接收器接收到反射信号时刻时停止计时，计时这段时间就是渡越时间。（2） 相位法发射装置发射出一定频率的正弦波，发出的声波到达障碍物后产生反射波，接收端收到反射波，经过放大电路放大，再与发射装置的驱动电压进行比较，测出两个正弦电压的相位差，跟据相位差就可测出距离。本设计采用了直接
7、计数法，这种方法有点在于原理简单适用，电路成本较低。而测距精度方面也不逊于其他两种测量方法。1.4 超声波测距领域历史和国内外发展现状1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。4年之后，1934年Sokolov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观 察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Beergmann在他的论著ULTRASONIC中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著
8、一直被认为是该领域的经典之作。 山东科技大学的王红梅在高分辨力超声测距系统的研究中研究了已有超声波测距系统的优缺点，采用超声波多次发射，以多次测量的平均值作为测量值的方法提高超声波测距精度，并使用了温度补偿声速的方法进一步提高了系统精度。为了提高仪器的分辨力，还采用了若干方法来减小随机误差。本文所设计的超声波测距系统在测量范围1cm10cm，精度可达到0.5%，分辨率优于0.1mm。1.6 论文研究内容本论文的研究内容是近距离超声测距系统，具体指标如下：（1） 量程：0.510m；（2） 电源：9VDC；（3） 声道：2；（4） 超声波频率：40KHz；（5） 测量误差：10cm；（6） 显示
9、方式：数码管显示。第二章 超声波测距系统设计（1） 本文设计的的超声波测距系统由于是利用数模电知识，所以完全依靠逻辑电路进行信号的检测与计算。所以，系统的稳定性、精确度很大程度上依赖硬件。系统设计包括模拟和数字两部分：模拟部分包括超声发射电路、驱动电路、接收电路、放大电路、比较电路；数字部分包括计数显示电路。硬件设计从成本和性能两方面进行考虑，力求结构简单，成本合理，功能完善，稳定性好。系统方案框图如图3-1所示。图3-1 超声波测距系统方案框图3.1 超声波发射模块根据超声换能器产生超声波的原理，超声波换能器想要产生超声波需要在换能器两端加电平信号，当信号频率跟超声波换能器的固有频率相等时，
10、超声波换能器的输出功率最大，灵敏度最高。因此发发射模块的关键就是如何产生与超声波换能器，也就是本设计选取的T/R40-16超声波换能器固有频率相等的电平信号。产生电平信号质量的好坏跟振荡电路的选择有很大的关系，一般振荡电路是由电阻、电感、电容等元件和电子器件组成。振荡电路按频率的高低可以分为超低频（20Hz以下）、低频（20Hz200KHz）、高频（200KHz30MHz）和超高频（10MHz350MHz）等几种。由于T/R40-16的固有频率为40KHz，所以超声波驱动电路的频率应尽量接近40KHz。但电路产生的脉冲信号会受到周围环境温度和自身放热导致的温度变化的影响，所以设计中采用了可调脉
11、冲频率的方式来抵消这种影响，使驱动电路的频率尽量接近超声波换能器的固有频率。超声波换能器驱动脉冲电路由两块555集成电路组成。组成超声波脉冲信号发生器。如图3-2所示。图3-2 超声波发射模块其中IC1输出信号控制IC2与其共同组成超声波载波信号发生器，输出1ms频率40kHz，占空比50的脉冲，停止64ms。IC1的具体工作电路如图3-3所示。图3-3 IC1工作电路IC1输出信号的计算公式如下：条件: R1=9.1M、 R2=150K、 C1=0.01F IC1输出信号经过IC3非门后输入IC2如图3-4所示。图3-4 IC2工作电路IC2输出信号计算公式如下：条件: R3 =1.5K、
12、R4=15K、 C3=1000pFIC3组成超声波换能器驱动电路，其工作电路如图3-5所示。驱动电路主要由五个非门组成，由于直接输出的电压信号时，电流很小，会导致功率不够无法正常驱动超声波传感器，为了使超声波传感器的输出功率达到最大，增加输出功率，使传感器的灵敏度达到最高。分别使用两个非门在正向及反相端并联，增大驱动电流。图3-5 超声波换能器驱动电路发射模块中主要使用了555、4069两块芯片和超声波换能器T40-16。555作为使用最为普遍的定时振荡器，自从其于1971年由Signetics Corporation发布后，在以后30年来被大量使用，并且延伸出相当多的应用电路在本次设计中我没
13、有使用比较先进的基于CMOS技术的Timer IC如MOTORLA的MC1455，而是使用了原规格的NE555。其内部结构图如图3-6所示。3.2 超声波接收电路超声波接收头和NJM4580D芯片组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经4580的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在4580的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。其电路连接如图3-10所示
14、。图3-10 反射信号放大电路连接图3.3 信号比较电路由Ra、Rb、IC5（LM358）组成信号比较电路。电路连接及信号波形如图3.12所示。图3-12 信号比较电路其中：所以当A点（IC5的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，B点电压将由高电平1到低电平0。同时注意到在IC5的同相端接有电容C和二极管D，这是用来防止误检测而设置的.3.4 时间测量电路IC6（4011）组成R-S触发器构成时间测量电路。可以看出，在发出检测脉冲时（A端为高电平），D端输出高电平，当收到反射回来的检测脉冲时，C端由高变低，此时D端变为低电平，故输出端D的高电平时间即为测试脉冲往返时间。原理如图3-14，
15、波形如图3-15所示。图3-14 时间检测电路原理图3-15 时间检测电路波形图3.5 计数脉冲信号发出电路IC7（4069）组成计数脉冲电路，原理如图3-16。3-16 计数脉冲电路原理其工作频率f = 1/(2.2 x C x R)。电路频率设计在17.2kHz左右。这个频率是根据声波在环境温度为20 时的传播速度为343.5m/s确定的。我们知道在不同的环境温度下，声波的传播速度会有所改变，其关系为v331.5+0.6t,其中v的单位为m/s,t为环境温度，单位为3有关计算如下：测量距离为1m的物体时，声波的往返时间为：。这时计数器显示应为100，即1m，此时计数电路脉冲发生器的频率。如
16、电容C(即C14)为2200pF，此时电阻由于在不同的环境温度下，声波的传播速度会不同，为适应不同环境温度下测量的需要，我们要求电阻R具有一定的调节范围，这里用VR2,VR3进行调节，其中VR2为粗调电阻，VR3为精调电阻。同样我们可以算出在不同温度下的计数脉冲频率值。3.6 计数显示电路 计数和显示电路由IC6（4011）、IC7（4069）、IC8（4553）、IC9（4511）组成，原理如图3-17所示25-27。图3-17 计数显示电路IC8（4553）是带有锁存功能的三位BCD扫描计数器，这里要简单介绍一下计数器的锁存与清零的过程。A点波形即表现测试脉冲往返的时间，当A点电位由低变高
17、时，由于C13电压不能突变，故B点会产生一个复位脉冲信号使计数器清零，同时IC6内与非门被打开，IC8开始通过CLOCK脚计数；同样当A点电位由高变低时，由于C12电压不能突变，故C点会产生一个锁存脉冲信号使计数器数据被锁存，同时IC6的有关与非门被关闭，IC8开始停止计数，完成计数过程。原理图如图3-18，波形图如图3-19。图3-18 计数器锁存与清零过程图3-19 计数锁存波形图计数显示电路主要是由两块芯片构成：4553计数芯片和4511译码芯片，其中4553完成了这部分电路的大部分功能.图3-20 4553外部引脚图4.2 仿真发射模块仿真电路如图4-1。图4-1 发射模块仿真电路经仿
18、真后成功了产生了设计要求的驱动波形。具体波形如图4-2所示。图4-2中，时间轴以20ms为单位，电压轴以5V为单位，A、B曲线为超声波驱动电路输出信号，C曲线为IC1输出电压信号，D曲线为IC2输出电压信号。可以看出电路基本达到设计要求。放大、检波、计时电路如图4-3。因为不能找到实际电路使用的NJM4580D，仿真电路中使用了LM358N来代替，另外由于仿真电路不能测得超声波信号，所以使用了一段正弦波来代替超声波信号。图4-3 放大、检波、计时仿真电路结 论设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量距离。
19、在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多，所以调试应该不会太难，稍加调试应该会正常工作。电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。参考文献1 高克成超声物位计现状J声学技术，2002, 22 田静声学-科学、技术与艺术N物理通报，2006, 63 许天增超声传输特性和超声传感系统研究N厦门大学学报，2001, 24 董子和，李永辉超声波测距系统的建立及其在汽车防撞系统的应用J汽车电器，1997, 15 何
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