超声波水位传感器设计论文(15)

3 系统整体方案设计与论证

3.1 系统整体方案的设计

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超

声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也

较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。

超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用

机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、

液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，

因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。

根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S52单片机作为控制器，用动

态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。

3.1.1 设计方案一

（发射部分）通过NE555振荡器设计出振荡电路，产生40KH的脉冲在通过

CD4069的驱动作用于超声波发射探头上（如图3.1）。

（接收部分）将超声波探头接收到的正弦40KH超声波信号（其VPP为50mV）

通过LM324运放三级放大以及整形以后产生VPP为3.5V的梯形波信号，用锁相

环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序（如图3.2）[18]。

图3.1 555超声波发射电路原理图

图3.2 324超声波接收电路原理图

3.1.2 设计方案二

（发射部分）如图 3.3 所示，单片机的 P1.0 输出 lus 的单脉冲信号，该

信号用于控制双向可控硅 2N6349A 的导通/关闭。可控硅通常处于关闭状态，

在单片机未发射触发脉冲之前，电容 C7 的两端充有 600V 的高压直流电。当

触发脉冲到来的瞬间，SCR1 首先导通，脉冲信号经过 C4 触发 SCR2，使得 SCR2

导通。导通的一瞬间使得电容 C7 的一端被拉为低电平，由于电容两端的电压

不能突变，所以电容 C7 两端有了 600V 的电压差，电容 C7通过二极管 Dl、

D2，R13、R12 和超声波探头开始放电，由于超声波探头的阻抗远远大于电阻

R12、R13，所以电阻 R12、R13 两端的电压就加到超声波探头的两端，加到超

声波探头两端的电压波形是电压为 600V 的一个负脉冲，从而激励压电晶片振

动，使之发射超声波。发射触发脉冲结束后，SCR1 的 G、K 接地，不满足导通

条件，最先关闭。SCR2的电路中，C6 通过 R10、R11 放电，由于 C6 是耐高

压低电容，所以在瞬间放电完成后 SCR2关闭。可控硅又处于关闭状态，等待

下一次的触发脉冲到来。

（接收部分）如图 3.4，电路是采用 NJM4580 运算放大器对信号进行放大。

超声波接收探头将超声波转换为电信号，由运算放大器 A1 进行放大。A1 输出

信号经 VD1 和 VD2、C7和检波与平滑，再通过 VT1 放大到 TTL 电平作为输

出信号 Uo。若检测到超声波信号，则输出 Uo 为低电平。A1 电压增益最大约

为

91 倍，若增益不够时可再增加一级放大电路。