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1、安康学院学年论文（设计）题 目超声波专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
2、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Ultrasonic Sensor to Send and Receive Circuit DesignAuthor: Wang Yang(Grade 10,Class 1,Major Electronic and Information Engineering，Electronic and InformationEngineering Dept.，Ankang University，Ankang 725000，Shaanxi)Directed by Zhang XinghuiAbstract ： With the rapid d
3、evelopment of science and technology, ultrasonic applications in scienceand technology are more and more wide, the main design of the ultrasonic sensors for sending and receiving circuit are analyzed design. Because ultrasound with high frequency, short wavelength and the diffraction are small, espe
4、cially the good direction, can be a ray and directional propagation characteristics, so it can be widely used in industrial production, medical examination, daily life, unmanned aerial vehicles, automatic work scene of automatic guided vehicle and robot.Key words ： Ultrasonic, transducer, circuit de
5、sign1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
6、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 o超声波传感器电路内部图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。z；FmJ：I.BkiS:io:R2VAJ.6kQ5V=U16m :，-D4：ir IF L1N4&011N4D01-* I -out- dis TEKTRI：INPUT4CKHZ :波册KHZ产生电路图
7、本设计利用:555构t成多谐振荡器产生占空比为50%的40KHZ的方波信 脚为高电平时，555电路产生了占空比为50%的方 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；号。当555定时器的4 波信号。为了增大555信号输出能力。当4脚为能在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）
8、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5KQ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1/3 Vcc，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2/3 V cc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1/3 Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。R D是 复位端
9、（4脚），当RD =0, 555输出低电平，平时RD端开路或接Vcc。+VccRd1 地Vcc Ct Th Vc,丨I876512 3 4IlliGND 亍i. OUT Rd(b)图2-3 555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2/3 V cc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0.01 M f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
10、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。4-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-心几93 Rac ,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，放电时间为心几93 Rbc，故振荡电路的周期为丄_1.443T (R + R ) CAB电路输出波形的占空比为R AR A + rb，通过计算，要得到40k
11、Hz左右的信号，需取 C=0.01uF，RA=RB=1.6kQ。2.2.2 驱动电路模块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Rl、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
12、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。VccA6VflAS5A4和If119Br-12345fl7-图 2-6 74LS04 管脚图 丫： =二2.3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
13、，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的引脚注释脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kQ ；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=4.7Q，C1=1p F；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；
14、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3.3p f；脚：接地 端;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fO,阻值越大，中心频率越 低。例如，取R=200kQ时，f042kHz,若取R=220kQ，则中心频率f038kHz；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；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22k Q，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降；脚：电源正极，4.55V。c） CX20106
15、A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。红外信号壇益 检测端 输人端 调节端带通滤波积分端器間整端信号 吐源端输出端图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
