盐城工学院本科生毕业论文 (2010)
当S按下时，振荡器起振，调整RP改变振荡频率，应为40kHZ。振荡信号分别控制由YF4、YF3组成的差相驱动器工作，当YF3输出高电平时，YF4一定输出低电平；YF3输出低电平时，YF4输出高电平。此电平控制T40-16换能器发出40kHZ超声波。电路中YF1~YF4采用高速CMOS电路74HC00四与非门电路，该电路特点是输出驱动电流大（大于15mA），效率高等。电路工作电压9V，工作电流大于35mA，发射超声波信号大于10m。
图4-5 40khz超声波发射电路
40kHZ超声波发射电路之四，由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流40~50mA。发射超声波信号大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一样。 经过认真仔细的考虑和分析，本人选择使用NE555加外围电路构成多谐振荡器来产生频率为40KHz的方波，再经过整形放大后来驱动超声波发射器发出超声波。 NE555是一种用途很广的时基单元集成电路，其工作电压范围较宽，可在4.5～18V范围内工作，其驱动电流可达200mA。NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是R、T、TH。利用NE555可以组成相当多的应用电路，甚至多达数百种应用电路，在各类书刊中均有介绍，例如家用电器控制装置、门铃、报
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超声波测距系统的设计与实现
警器、信号发生器、电路检测仪器、元器件测量仪、定时器、压频转换电路、电源应用电路、自动控制装置及其它应用电路都有着广泛的应用，这是因为NE555巧妙地将模拟电路和数字电路结合在一起的缘故。
图4-6 40khz超声波发射电路
图4-7 555内部结构与引脚
本次设计中NE555电路的工作原理是：单片机TXD口发出低电平，三极管Q5为PNP管所以导通，C极向外输出高电平。555芯片8脚接到高电平开始工作，4脚被拉高，多谐振荡电路不工作，当接到单片机的低电平信号后振荡器开始工作。 Vcc经外接电阻R1和R2向电容C充电，当C上的电压Vc上升到2Vcc/3时，反相比较器A1翻转输出低电平，RS触发器复位，即V＝0，3脚输出为“0”，则三极管导通，C经三极管和P1放电，当Vc下降到Vcc/3时，同相比较器A2翻转输出低电平，即S＝0，RS触发器置位，3脚输出变为“1”，三极管又截止，C又开始充电，如此周而复始，输出端便可获得周期性的矩形脉冲波，NE555的内部电路。由电路可知电容
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C的放电时间t1＝R2Cln2，充电时间t2＝（R1+R2）Cln2，即可得出输出脉冲的频率为：f＝1/t1+t2。所以调节R1和R2即可改变脉冲频率使之等于40KHz。如图4-6所示。
图4-8 方波产生电路
为了使40KHz的方波信号更为可靠，要对其进行整形及放大。信号由NE555的3脚向外输出，经过二极管D2整形，滤去低于低电平 的部分，只保留零电平以上部分。整形后的信号经由三极管Q1、Q2放大，此时的信号已经很可靠，可以满足本次设计的需要。信号由OUT口输出，送入超声波探头中。此外在超声波发射电路中还加入了消除余振部分以保证电路可以更好的为超声波发射器提供信号，也使测量结果更为精确。因为超声波探头是一个感性元件，在一定程度上会表现出电感的性质。所以当发射电路停止向其输入脉冲信号后，如果没有合适的能量释放回路，则在其感性的作用下，超声波探头内部振荡仍会持续一段时间，仍然发射超声波，会对测量结果产生影响。加入这个电路就是为了在停止发送超声波的时候将发射器内部的能量释放到地，使其立即停止工作。单片机控制发送超声波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制两个管脚输出相同的电平。在TXD口为高电平时停止发射超声波，此时INT0口也为高电平，使得三极管Q3导通，即打开消除余振功能，将剩余的能量接地。两个动作几乎是同时的，可以提高此后计时的准确性。电路如图4-9所示。
图4-9方波消除余波电路
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超声波测距系统的设计与实现
图4-10 发射电路模块 4.2.3 超声波接收电路
在本次设计中选择了前置放大电路＋带通滤波电路＋后级放大电路的类似电路。通过波形整形，积分器，检波器，带通滤波，限幅放大和前置放大等实现接收超声波的功能。如图4-11所示：
由于在距离较远的情况下，超声波的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较小，为此要求将信号放大60万倍左右。如图4-11所示电路有三级放大：前两级种放大100倍，采用高速精密放大器LM318， 其带宽为15MHz，放大倍数为100倍时，能充分满足要求；第三级采用LF353运算放大器，带宽为4MHz，对于62倍的放大倍数，能充分满足条件。放大后的交流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是将交流信号整形输出一个方波信号，此方波信号上升沿使D触发器触发，向CPU发中断申请。在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并结合温度换算出的速度算出发射到接收的距离如图4-12所示：
图4-11 40KHz超声波接收电路
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图4-12 40KHz超声波接收电路
图4-12所示电路为双稳态超声波接收机电路，由VT5、VT6及相关辅助元件构成双稳态电路，当VT4每导通一次（发射机工作一次），触发信号经C7、C8向双稳电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6状态翻转一次，当VT6从截止状态转变成导通状态时，VD5截止，VT7截止，继电器K释放； 当再来一个触发信号时，VT6由导通转变为截止状态，VD5导通，VT7导通，继电器K吸合......由于增加了双稳电路，使之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。调试时，在a点与+16V（电源）之间用导线快速短路一下后松开，继电器应吸合（或释放），再短路一下松开，继电器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参数。再加上设计中所选用的超声波探头里已经集成了上述超声波接收电路，一般情况下一次即可成功。
为了测量结果的准确性，对于超声波探头接收到的信号同样需要进行处理。探头收到的回波信号经OUT口回到电路中，经过电容C10耦合，只保留测距需要的交流信号。电路中加入二极管D1同样是因为上面提到的探头的感性。由于感性的存在，在停止发送超声波的那一刻，OUT口会出现一个反向电动势，即电位低于地电位。这样，如果没有二极管保护，这个反向电动势将会全部加在三极管Q4的b-e结上，如果探头的感性比较强，其反向电动势足以将b-e结击穿。二极管D1提供了一个电流的泻放电路，也可以说是将反向电动势降到最小（0.7V左右），保护三极管及其他电路。电容C9对经过三极管的信号进一步整形，去掉信号波形中的毛刺，使波形更好。电阻R5起一个上拉电阻的作用，因为回波信号经过滤波后很可能会衰减的很严重，所以利用R5将其幅度上拉到5V，以便单片机更好的检测回波信号。
CX20106是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40 kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0五可由其5脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为30～60 kHz。故本次设计用它来做接收电路。CX20106内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。
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