610超声波传感器发送与接收电路设计.docx
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610超声波传感器发送与接收电路设计
安康学院
学年论文﹙设计﹚
题目超声波传感器发送与接收电路设计
学生姓名王洋学号2010222304
所在院(系)电子与信息工程系
专业班级电子信息工程1班
指导教师张兴辉
2012年6月13日
超声波传感器发送与接收电路设计
王洋
(安康学院电子与信息工程系电子信息工程10级,陕西安康725000)
指导教师:
张兴辉
【摘要】随着科学技术的快速发展,超声波在科学技术中的应用越来越广,本设计主要对超声波传感器的发送与接收电路进行了理论分析设计。
由于超声波具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点,因而它可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车及机器人等。
【关键字】超声波、传感器、电路设计
UltrasonicSensortoSendandReceiveCircuitDesign
Author:
WangYang
(Grade10,Class1,MajorElectronicandInformationEngineering,ElectronicandInformationEngineeringDept.,AnkangUniversity,Ankang725000,Shaanxi)
DirectedbyZhangXinghui
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,ultrasonicapplicationsinscienceandtechnologyaremoreandmorewide,themaindesignoftheultrasonicsensorsforsendingandreceivingcircuitareanalyzeddesign.Becauseultrasoundwithhighfrequency,shortwavelengthandthediffractionaresmall,especiallythegooddirection,canbearayanddirectionalpropagationcharacteristics,soitcanbewidelyusedinindustrialproduction,medicalexamination,dailylife,unmannedaerialvehicles,automaticworksceneofautomaticguidedvehicleandrobot.
Keywords:
Ultrasonic,transducer,circuitdesign
1超声波传感器的概述
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,习惯上称为超声换能器,或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。
构成晶片的材料可以有许多种。
晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,使用前必须预先了解它的性能。
2超声波传感器电路的设计
2.1设计总模块
超声波传感器电路设计总模块主要采用555芯片、74LS04芯片以及CX20106A芯片等构成。
其系统模块图如下图2.1。
发送
接收
控制处理电路(单片机、FPGA等)
图2.1系统模块图
2.2超声波传感器发射电路
超声波传感器发射电路主要由40KHz脉冲信号产生模块以及驱动电路模块两大模块组成。
2.2.1脉冲40kHz信号产生电路模块
发射电路模块所选用的是555集成定时器组成的多谐振荡器,电路如图2-2所示。
图2-2超声波40KHz产生电路图
本设计利用555构成多谐振荡器,产生占空比为50%的40KHz的方波信号。
当555定时器的4脚为高电平时,555电路产生了占空比为50%的方波信号。
为了增大555信号输出能力。
当4脚为低电平时,555定时器清零,没有输出。
a)555芯片应用
555是一种时基电路,能在4.5-18V电源电压下工作,输出电压可与TTL、CMOS、HTL逻辑电路兼容,定时或振荡精度仅与外接元件特征有关,具有200mA的吸入或供出电流,可直接推动扬声器、电感等低阻抗负载还可以在仪器仪表、自动化装置及各种电器中作定时及时间延迟等控制。
在电路中可做单稳态、多谐振荡器、脉冲发生器、以及报警器,应用极其广泛。
b)555电路的工作原理
555电路的内部电路方框图如下图2-3所示,它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关管T,比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成的分压器提供。
它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc,A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当信号自6脚输入,即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc时,触发器复位,555的输出端3脚输出低电平,同时放电开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时,触发器置位,555的3脚输出高电平,同时放电开关管截止。
RD是复位端(4脚),当RD=0,555输出低电平,平时RD端开路或接Vcc。
图2-3555定时器内部框图及引脚排列
Vc是控制电压端(5脚),平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平,当5脚外接一个输入电压,即改变了比较器的参考电平,从而实现对输出的另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01μf的电容器到地,起滤波作用,以消除外来的干扰,确保参考电平的稳定。
T为放电管,当T导通时,将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。
555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路,并由两个比较器来检测电容器上的电压,以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。
这就很方便地构成从微秒到数十分钟的延时电路,可方便地构成单稳态触发器,多谐振荡器,施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。
图2-4脉冲信号产生电路
由于接入了二极管D1和D2,电容的充电电流和放电电流流经不同的路径,充电电流只流经RA,VCC通过RA、D1向电容C充电,充电时间为
,放电电流只流经RB,电容器通过D2、RB及555中的三极管T放电,放电时间为
,故振荡电路的周期为
,电路输出波形的占空比为
,通过计算,要得到40kHz左右的信号,需取C=0.01uF,RA=RB=1.6kΩ。
2.2.2驱动电路模块
发射驱动电路模块所选用的是74LS04集成芯片,由模块中产生的40kHz的方波,再用驱动超声波传感器发射超声波。
图2-5为发射驱动电路图。
图2-5发射驱动电路
发射驱动电路主要有反相器74LS04和超声波换能器构成,上一级电路输出的40KHz方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反相器后送超声波换能器的另一个电极,用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波发射强度。
输出端采用两个反向器并联,可以提高驱动能力。
上拉电阻R1、R2一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,以缩短其自由振荡的时间。
a)74LS04芯片资料
74LS04是内含6组相同的反相器。
即1A输入高电平,1Y输出低电平的六反相器。
内部集成了六个反向器。
74LS04的管脚如图2-6所示。
图2-674LS04管脚图
2.2.3超声波传感器发射的总电路
图2-7发射电路总图
2.3超声波传感器接收电路
本设计中采取CX20106A处理接收到的超声波信号。
电路如图2-8所示。
这是一款红外线检波接收的专用芯片,常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距超声波频率40kHz较为接近,可以利用它作为超声波检测电路。
图2-8超声波接收部分的电路原理图
a)超声波传感器接收电路原理
超声波接收器接收到物体反射回来40KHz的超声波信号,将其转换为电信号,输入CX20106A的1脚,CX20106A经过放大、滤波、整形后,会在第7脚产生一个低电平下降脉冲,输出至单片机等控制处理器的外部中断口。
b)CX20106A的引脚注释
①脚:
超声信号输入端,该脚的输入阻抗约为40kΩ;②脚:
该脚与地之间连接RC串联网络,它们是负反馈串联网络的一个组成部分,改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大,放大倍数下降,反之则放大倍数增大。
但C1的改变会影响到频率特性,一般在实际使用中不必改动,推荐选用参数为R1=4.7Ω,C1=1μF;③脚:
该脚与地之间连接检波电容,电容量大为平均值检波,瞬间相应灵敏度低;若容量小,则为峰值检波,瞬间相应灵敏度高,但检波输出的脉冲宽度变动大,易造成误动作,推荐参数为3.3μf;④脚:
接地端;⑤脚:
该脚与电源间接入一个电阻,用以设置带通滤波器的中心频率f0,阻值越大,中心频率越低。
例如,取R=200kΩ时,f0≈42kHz,若取R=220kΩ,则中心频率f0≈38kHz;⑥脚:
该脚与地之间接一个积分电容,标准值为330pF,如果该电容取得太大,会使探测距离变短;⑦脚:
遥控命令输出端,它是集电极开路输出方式,因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端,推荐阻值为22kΩ,没有接受信号是该端输出为高电平,有信号时则产生下降;⑧脚:
电源正极,4.5~5V。
c)CX20106A内部简介
CX20106A采用8脚单列直插式塑料封装,内部包括自动偏置控制电路、前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波、积分比较和施密特整形输出电路等,配合少量外接元件,能完成对超声波接收与处理的全部功能。
典型电压5V,典型功耗9mW。
由于CX20106A未使用电感,可不受磁场的干扰,因此抗干扰能力强。
CX20106A的内部结构框图见图2-9。
图2-9CX20106A的内部结构框图
2.4超声波传感器电路的说明
整个模块(发送与接收电路)引出引脚有共4个,有VCC、trig(触发信号输入端)、echo(回响信号输出端)、GND。
如图2-10为其总模块时序图:
图2-10总模块时序图
当触发信号给一个125uS的TTL时,在模块内部会发出循环的5个40KHz的脉冲,接收器接第一次接收到40KHz信号时,输出端会出现第一次下降沿(不会出现一直发射信号时,7脚一直为低电平),如果一直发射超声波,在7脚将会有周期的低电平产生。
只要通过单片机等控制处理器来计算发射信号时到收到信号是产生下降沿这段时间的长度,再通过数学计算,转化为距离等。
3超声波传感器的应用
3.1超声波距离传感器技术的应用
超声波传感器包括三个部分:
超声换能器、处理单元和输出级。
首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。
如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。
把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。
超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
3.2超声波传感器在医学上的应用
超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。
超声波诊断的优点是:
对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。
3.3超声波传感器在测量液位的应用
超声波测量液位的基本原理是:
由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。
超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:
(1)无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;
(2)其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。
3.4超声波传感器在测距系统中的应用
超声测距大致有以下方法:
①取输出脉冲的平均值电压,该电压(其幅值基本固定)与距离成正比,测量电压即可测得距离;②测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔t,故被测距离为S=1/2vt。
如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法加以校正。
超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
随着新技术的不断推出,原来一些不能使用超声传感器的领域,已开始更多地使用超声传感器。
超声传感器可用于探测液位、探测透明物体和材料,控制张力以及测量距离。
其应用行业包括包装、制瓶、物料搬运、塑料加工以及汽车行业等。
超声传感器现已常规用于流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。
这些传感器还能减少由损坏部件产生的废品,以及由此引起的停工时间,从而提高生产率。
目前,如何让各行各业认识到超声传感器在制造业的各个领域的应用潜力是我们面临的重大挑战,包括在质量控制、流程控制和检验等方面。
4超声波传感器在使用中存在的问题
(1)盲区:
直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体。
传感器在这个区域内必须保持不被阻挡。
(2)温度与湿度:
空气温度每上升20ºC,检测距离至多增加3.5%。
在相对干燥的空气条件下,湿度的增加将导致声速最多增加2%。
(3)反射问题:
如果被探测物体始终在合适的角度,那超声波传感器将会获得正确的角度。
但是不幸的是,在实际使用中,很少被探测物体是能被正确的检测的。
其中可能会出现几种误差:
三角误差(当被测物体与传感器成一定角度的时候,所探测的距离和实际距离有个三角误差)、镜面反射、多次反射。
(4)重复精度:
波长等因素会影响超声波传感器的精度,其中最主要的影响因素是随温度变化的声波速度,因而许多超声波传感器具有温度补偿的特性。
该特性能使模拟量输出型的超声波传感器在一个宽温度范围内获得高达0.6mm的重复精度。
(5)空气压力:
常规情况下大气变化±5%(选一固定参考点)将导致检测范围变化±0.6%。
大多数情况下,传感器在5Bar压力下使用没有问题。
(6)气流:
气流的变化将会影响声速。
然而由最高至10m/s的气流速度造成的影响是微不足道的。
在产生空气涡流比较普遍的条件下,例如对于灼热的金属而言,建议不要采用超声波传感器进行检测,因为对失真变形的声波的回声进行计算是非常困难的。
(7)交叉问题:
交叉问题是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。
超声波X发出的声波,经过镜面反射,被传感器Z和Y获得,这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值,从而无法获得正确的测量。
(8)噪音:
虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45KHz,远远高于人类能够听到的频率。
但是周围环境也会产生类似频率的噪音。
比如,电机在转动过程会产生一定的高频,轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音,机器人本身的抖动,甚至当有多个机器人的时候,其它机器人超声波传感器发出的声波,这些都会引起传感器接收到错误的信号。
5总结
文章主要叙述了超声波传感器的发送和接收电路的设计,以及介绍了超声波传感器的原理和超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应用。
但是,超声波传感器整个设计电路也存在自身的不足,比如反射问题,噪声问题的等等。
因此对超声波传感器的更深一步的研究与学习,仍具有很大的价值。
总体来说,最重要的是在本设计的设计过程中我学到了很多知识,从中受益匪浅。
以及加强了我对超声波传感器的更深入的理解和掌握。
这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。
[参考资料]
[1]何希才.常用传感器应用电路的设计与实践北京科学出版社,2007.
[2]丁镇生.传感及其遥控遥测技术应用北京电子工业出版社,2003.1.
电子与信息工程系学年论文(设计)成绩评定表
学生姓名
王洋
专业班级
电子信息工程1班
学号
2010222304
指导老师
张兴辉
职称
助教
工作单位
安康学院
题目:
超声波传感器发送与接收电路设计
指导教师评语:
建议成绩:
指导教师(签字):
年月日
教研室意见:
教研室主任(签字):
年月日
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- 610 超声波传感器 发送 接收 电路设计