数字超声波身高测量仪

内江师范学院物理学与电子信息工程系学士学位论文目录1.前言 (1)2.设计说明书 (2)2.1概述 (2)2.1.1基本工作原理 (2)2.1.2主要技术指标 (2)2.2整体硬件电路设计 (3)2.2.1发射模块 (3)2.2.2接收模块 (7)2.2.3计数与显示控制模块 (8)2.2.4电源模块 (11)2.3方案校验 (13)3.结论 (15)4.结束语 (16)参考文献 (17)附录 (18)整机电路原理图 (18)元件明细表 (19)1.前言随着科学技术的快速发展，超声波将在传感器中的应用越来越广。

在人类文明的历次产业革命中，传感技术一直扮演着先行官的重要角色，它是贯穿各个技术和应用领域的关键技术，在人们可以想象的所有领域中，它几乎无所不在。

传感器是世界各国发展最快的产业之一，在各国有关研究、生产、应用部门的共同努力下，传感器技术得到了飞速的发展和进步。

但限于目前的技术水平，人们可以具体利用的传感技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

展望未来，超声波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。

未来的超声波传感器将与自动化、智能化接轨，与其他的传感器集成和融合，形成多传感器。

随着传感器的技术进步，传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。

在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。

超声波是一种频率范围在20KHz —100000KHz 的机械波。

超声波易于定向发射，方向性好，强度易于控制，与被测物体不需要直接接触等优点。

超声波传感器信息处理速度快，环境适应性强。

本数字超声波身高测量仪的测量范围为0.5m-2.3m ，四位数字显示，分辨率0.1cm ，测量误差±0.5cm ，使用交流市电220V ±10%。

本设计利用超声波良好的反射性能，采用回波测距12h v t =∆来实现。

使用在空气中效率较高的中心频率为40KHz 的超声波探头来完成发射与接收功能，用四位数字显示以达到0.1cm 的分辨率和0.5m-2.3m 的测量范围。

2.设计说明书2.1概述2.1.1 基本工作原理根据超声波传感器的特性及声波的传播速度，有如下：12h v t =∆成立，只要测得计数器记录的时间，便可测得h ，原理框图如图1所示：整体电路由发射、接收、计数与显示控制电路和电源四部分组成。

电源由220V 的交流市电经变压、整流、滤波后产生12V 和24V 的直流电压。

发射与接收部分采用了超声波传感器，利用超声波良好的反射特性来测距，计数与显示控制部分对测量结果进行四位显示。

本设计采用纯硬件来实现，使用标称频率为40KHz 的MA40LIS 和MA40LIR 的超声波传感器测距。

每秒采样5次，每次发射8个脉冲。

发射脉冲与经过放大整形后的接收脉冲一起作为二-十进制计数器CD4518的使能控制信号，从而得到一个门控信号作为可预置可逆计数器CD4510的控制信号，对CD4510的预置数进行减计数，计数期间显示消隐，其余时间显示与预置，此计数的BCD 码经CD4511译码后驱动七段显示器进行显示。

2.1.2 主要技术指标测量范围：0.5～2.3m ，四位数字显示，分辨率：0.1cm ；测量误差：±0.5cm ；图1.原理框图使用电源：交流市电220V±10%。

2.2 整体硬件电路设计2.2.1发射模块（1）电路原理图及分析发射模块的电路原理图如图2所示：图2.发射模块发射模块由两个振荡电路和一个推挽放大电路及超声波发射探头组成。

为MA40LIS提供40KHz的高频电压，从而使其能发射40KHz的超声波。

40KHz和5Hz振荡信号均采用门电路组成的多谐振荡器。

超声波发射探头采用了标称频率为40KHz的MA40LIS。

（2）多谐振荡器及超声波传感器介绍在数字电路或系统中，常常需要各种脉冲波形，如时钟脉冲、控制过程中的定时信号等。

脉冲波形的获取，通常采用两种方法：一种是利用脉冲信号产生器直接产生；另一种是对已有的信号进行波形变换。

本设计中采用了由门电路组成的多谐振荡器.该电路在接通电源后无需外接触发信号就能产生一定频率和幅值的矩形波脉冲。

电路组成及工作原理：由门电路组成的多谐振荡器虽有多种电路形式，但它们无一例外地均具有如下共同特点。

首先，电路中含有开关器件，如:门电路、电压比较器、BJT 这些器件主要用作产生高低电平；其次，具有反馈网络，将输出电压恰当地反馈给开关器件使之改变输出状态；另外，还要有延迟环节，利用RC 电路的充、放电特性可实现延时，以获得所需要的振荡频率。

在许多实用电路中，反馈网络兼具有延时的作用。

在振荡过程中，电路状态的转换主要取决于电容的充、放电，而转换时刻则决定于VI 数值。

由公式可得到第一暂稳态： ()1ln DD DD TH T RC V V V =- （1）第二暂稳态：2/D D TH T RC V V = （2）所以有：()212/DD DD TH DD T T T RC V V V V ⎡⎤=+=-⎣⎦（3） 将2TH DD V V =代入，上式变为：ln 4 1.4T RC RC == （4）本模块中产生5Hz 的电路是一种最简型的多谐振荡器。

当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，在/2TH D D V V =不成立时，影响尤为严重。

一般可在此基础上增加一个补偿电阻RS ，如产生40KHz 方波的电路。

RS 可减小电源电压变化对振荡频率的影响，当/2TH D D V V =时，取RS 》R （一般取10R S R =）。

产生40KHz 方波振荡器电路中电阻R 的计算：由 1.4T R C =可得：1/ 1.41/40T f RC K ===（其中C 取1000P ） （5）则有： ()61/40 1.41018R K -=⨯⨯= （6）为了让频率可调整，选择了R 由一个10K 的电阻和一个10K 的滑动电阻组成，门电路选择CD4069。

同理，产生5Hz 的方波振荡器电路的电阻为：()1210/ 1.450.1 1.43R M =⨯⨯= （7） 此处，选取R=1M 。

40KHz 的振荡信号经隔离后，送入功率放大器进行放大。

9014为前置放大，工作于甲类，8050和8550组成推挽放大，工作于甲乙类。

当加在9014基极偏置上的脉冲为低电平时，B V 下降，B I 下降，C I 下降，从而使9014的C E V 上升，NPN8050导通；当加在9014基极偏置上的脉冲为高电平时，B V 上升，B I 上升，C I 上升，9014的C E V 下降，从而PNP8550导通。

此放大后的高频电压用以驱动超声波发射探头使其发射40KHz 的超声波。

超声波传感器介绍超声波是一种能在气体、液体、固体中传播的弹性波。

根据频率的范围，声波可以分为次声波、声波、超声波。

人耳能听到的声波频率20—20KHz 之间。

频率超过20KHz 的声波称为超声波。

声波的频率越高，与光波的某些特性越相似。

超声波波长、频率与速度的关系为/c f λ=，式中λ为波长，c 为速度，f 为频率。

超声波的特征是频率高，波长短，绕射现象小。

它最明显的特征是方向性好，且在液、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生显著的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。

超声波传感器有发射器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发射和接收声波的双重作用即为可逆元件，一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发射器用作发射超声波，接收器用作接收超声波，兼用型就是发射器和接收器为一体的传感器，既可发送超声波，又可接收超声波。

超声波传感器的谐振频率（中心频率）有23KHz 、40KHz 、75KHz 、400KHz 等。

谐振频率越高则检测距离越短。

超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件。

所谓压电效应，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称为应变。

超声波探头又称为超声波换能器，它主要是由压电晶片组成，实现超声波的发射和接收。

这种元件的物理基础就是压电元件的压电和逆压电效应。

将超音频脉冲电压加在超声波发射探头上时，利用逆压电效应，向介表1.CD4013功能表图3.CD4013引脚图质发射超声波。

当有超声波作用在接收探头上时，利用压电效应，将接收到的超声波信号转换成电信号再做处理。

本设计中采用的超声波传感器是MA40LIS 和MA40LIR ，因为中心频率为40KHz 的超声波的转换效率最好。

若在发送MA40LIS 的双晶振子（谐振频率为40KHz ）上施加40KHz 的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发射40KHz 的超声波。

超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。

超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生形变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压，若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器进行放大。

在CD4013的作用下，每秒发射与接收5次。

每次发射8个脉冲。

发射信号与经过放大整形后的接收信号一起用作二-十进制计数器CD4518使能控制信号，从而得到一个从每次发射完后到接收电路收到8个脉冲的门控信号，用于计数器的计数控制。

（3）元件简介CD4013为双主从型D 触发器。

功能表（表1）和引脚图（图3）如下：CD4518为二-十进制计数器，1CLK 、2CLK 为时钟输入端，1RST 、2RST 为复位端，1Q1，1Q2，1Q3，1Q4，2Q1，2Q2，2Q3，2Q4为十进制BCD 码输出端。

CD4069为六反相器。

2.2.2接收模块（1）电路原理图及分析接收部分的电路原理图如图4所示：图4.接收模块接收模块由超声波接收探头MA40LIR，CD4069组成的带反馈的三级放大电路和施密特整形电路构成。

MA40LIR接收到发射器MA40LIS发射的40KHz的超声波后，由于MA40LIR是压电元件，就会在压电效应的作用下产生40KHz的高频电压。

MA40LIR接收到的信号比较微弱，需要经过放大，经放大后可能是不规则的波形须经施密特触发器整形。

（2）施密特触发器介绍施密特触发器是数字系统中常用电路之一，它可以把变化十分缓慢的不规则脉冲波形转换成数字电路所需要的矩形脉冲。

施密特触发器具有以下特点：它属于电平触发方式，即不仅状态的翻转需外加的触发信号，而且状态的维持也需要外加触发信号。

另外，施密特触发器对于变化方向不同的输入信号，具有不同的阈值电压。