傳感器-物體檢測(cè)電路的制作

1、目錄1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 12 設(shè)計(jì)思路及電路原理圖 52.1 555 振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器52.2 用 LM393 制作接收電路 52.3 用 LM2907N 進(jìn)行信號(hào)處理 63 元件列表及主要元件介紹 113.1 元件列表 113.2 主要元件介紹 113.2.1 超聲波原理113.2.2 NE555 元件介紹 123.2.3 LM393 元件介紹 133.2.4 LM2907N 元件介紹 154 電路調(diào)試 184.1 調(diào)試結(jié)果 184.1.1 沒有檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮 184.1.2 檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光二極管熄滅184 2 電壓波形 195 體會(huì) 236 參考文獻(xiàn) 251課程設(shè)計(jì)任

2、務(wù)書傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目：物體檢測(cè)電路的制作一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)超聲波傳感器是利用超聲波作為信息傳遞媒介的傳感器，本課題是利用超聲波 傳感器來檢測(cè)物體的存在。電路由三部分組成：以555振蕩電路作為超聲波傳感器 的驅(qū)動(dòng)電路，以LM393芯片作為超聲波傳感器的接受電路，以LM2907N芯片把傳 感器接受到的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并是發(fā)光二極管發(fā)光。二、課程設(shè)計(jì)目的通過本次課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握：1) 了解超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理；2) 利用超聲波傳感器監(jiān)測(cè)物體的存在；3)掌握電子電路實(shí)際調(diào)試技巧。從而提高學(xué)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試能力。三、課程設(shè)計(jì)要求1、當(dāng)有物體存在時(shí)，發(fā)光二極管熄滅；2

3、、當(dāng)沒有物體存在時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光。四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容1、發(fā)射電路、接受電路、轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)；2、電路的調(diào)試；3、電路原理圖中元件清單五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求報(bào)告中提供如下內(nèi)容：1 、目錄2、正文（ 1）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書；（ 2）總體設(shè)計(jì)方案；（ 3）原理圖（可手畫也可用 protel 軟件） ；（ 4）調(diào)試、運(yùn)行及其結(jié)果；3、收獲、體會(huì)4、參考文獻(xiàn)六、課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排周次工作日工作內(nèi)容周1布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)，查找相關(guān)資料，熟悉芯片555、LM393、LM2907N 工作原理；2原理圖的設(shè)計(jì)及發(fā)射電路的搭建；3接受電路、轉(zhuǎn)化電路的搭建與調(diào)試；4系統(tǒng)調(diào)試并完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告；5答辯本課題共需一周時(shí)間七、課程

4、設(shè)計(jì)考核辦法本課程設(shè)計(jì)滿分為100分，從課程設(shè)計(jì)平時(shí)表現(xiàn)、課程設(shè)計(jì)報(bào)告及課程設(shè)計(jì)答辯三個(gè)方面進(jìn)行評(píng)分，其所占比例分別為 20%、40%、40%。精品資料2設(shè)計(jì)思路及電路原理圖設(shè)計(jì)時(shí)采用直接型檢測(cè)方式物體，將發(fā)射器與接收器相向配置，當(dāng)能夠直接接收到對(duì)面發(fā)射來的超聲波時(shí)，或者說接收器有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就表示沒有物體在 阻擋超聲波的傳輸。反過來，當(dāng)沒有信號(hào)電壓輸出時(shí)，就有物體擋住了超聲波的傳輸。電路由三部分組成：以555振蕩電路作為超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路， 以LM393 芯片作為超聲波傳感器的接收電路，以LM2907N芯片把傳感器接受到的頻率信號(hào)轉(zhuǎn) 化成電壓信號(hào)并是發(fā)光二極管發(fā)光。設(shè)計(jì)電路見圖電路原

5、理圖。2.1 555振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器如圖，發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路是使用時(shí)基電路555的他激型震蕩驅(qū)動(dòng)電路，555振蕩電路在他激型驅(qū)動(dòng)電路中，具有可以自由選擇振蕩頻率的優(yōu)點(diǎn)，但 會(huì)帶來了頻率不夠穩(wěn)定的缺點(diǎn)?？梢詫㈩l率預(yù)設(shè)為40KHZ ,然后用頻率調(diào)整電位計(jì) 將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。2.2 用LM393制作接收電路使用比較放大器LM393進(jìn)行放大。比較器和運(yùn)算器一樣不進(jìn)行相位補(bǔ)償，因 此也可以像運(yùn)算放大器那樣告訴運(yùn)行。但是，如果把它作為放大器使用，就容易產(chǎn) 生自激振蕩。另外，為了避免噪聲，可以通過正反饋的方式給它一個(gè)很小的滯后電 壓，2.3 用LM2907N進(jìn)行信號(hào)

6、處理LM393的輸出端接在了轉(zhuǎn)速計(jì)用的集成電路 LM2907N上。由于在LM2907N 的內(nèi)部有F-V （頻率-電壓）轉(zhuǎn)換電路和比較電路，所以就變成了頻率輸入。這么一 來，LM393的矩形波輸出就變得非常方便了。在LM393的輸出電路為低電平時(shí)，LM2907N的輸入就不足。這時(shí)，在LM2907N 的弟11號(hào)引腳VIN-上就只有約為0.6V的二極管正向電壓的壓降作為偏置電壓， 這正好與LM393的電壓振幅相吻合。LM2907N的F-V轉(zhuǎn)換電壓VOUT為：VOUT=Vcc Fin C4 R1該電壓與集成電路LM2907N內(nèi)部的電壓比較器進(jìn)行比較后輸出。設(shè)計(jì)電路圖如下:當(dāng)Fin=49KHZ時(shí)，輸出滿

7、刻度電壓（12V）。那么，如果在比較器的第10腳OP-輸入比較電壓Vcc/2=6V,在20KHz以上時(shí)，比較器就會(huì)導(dǎo)通，發(fā)光二極管發(fā) 光。也就是說，通常，在沒有物體遮擋超聲波的情況下，接收用的超聲波傳感器 MA40A3R中就會(huì)有40KHZ的頻率輸入。在物體遮擋發(fā)光二極管的情況下，接收用的超聲波傳感器 MA40A3R中就沒有 信號(hào)的輸入，LM2907N內(nèi)部的電壓比較器電路就會(huì)切斷，發(fā)光二極管也就不會(huì)發(fā) 光。如果希望發(fā)光二極管的指示顛倒過來，也就是希望檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光，而在正 常狀況下，即沒有檢測(cè)到東西時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，那么可以將比較器輸入端的 正負(fù)調(diào)換過來（OP-與OP+調(diào)換過來）圖LM29

8、07N工作電路圖綜合以上分析，總電路設(shè)計(jì)原理圖如下：C3為濾波電容器，F(xiàn)in=1/2RC4 時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光， Fin=20KHZ 時(shí),RC4=25uf。如果，C4=500PF,R=51KD2 向 Vin 提供 0.6V 的偏壓;5工一導(dǎo) r 上IE1朝4.1田世 戶iZ 星MJXU U 包 w t=6? 己呂VIK 點(diǎn) Enz- 置 5 空相言鄢器置世濾波電 容器=一召辦D電路原理圖精品資料3.2.1 超聲波原理3元件列表及主要元件介紹3.1 元件列表名稱圖中代號(hào)型號(hào)備注比較器A1LM393超聲波傳感器MA40A3S/RMA40A3S 發(fā)射,MA40A3R 接收時(shí)基電路IC1NE555專用

9、集成電路專用集成電路IC2LM2907N5.1V雪崩二極管二極管D1D205Z5.11S1588發(fā)光二極管LED1TLR143紅色電容器C1-C3,C5-C610%,50 V10%,50 V聚酯薄膜電容器陶瓷電容器電阻器5%,1/4W全部碳膜電阻器電位器VR1 , VR2單圈旋轉(zhuǎn)型碳膜電位器3.2主要元件介紹圖超聲波傳感器超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩， 有 兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。 在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在精品資料氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十K

10、HZ,而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰 減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路， 制成各種超聲測(cè)量儀器及裝置，并在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位傳感器；反射型用于材料探傷、測(cè)厚 傳感器等。超聲波傳感器的基本原理超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鍥鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有培鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波， 同時(shí)它接收到超聲

11、波時(shí), 也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。超聲波傳感器包括三個(gè)部分： 超聲換能器、處理單元和輸出級(jí)。首先處理單元對(duì)超聲換能器加以電壓激勵(lì)，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)（相當(dāng)于一個(gè)麥克風(fēng)），處理單元對(duì)接收到的超聲波 脈沖進(jìn)行分析，判斷收到的信號(hào)是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測(cè)量超 聲波的行程時(shí)間，根據(jù)測(cè)量的時(shí)間換算為行程，除以 2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物變化方向發(fā)射超聲波，就可測(cè)量物體表面與傳感器的距離3.2.2 NE555元件介紹圖555引腳圖NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，55

12、5系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC,只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號(hào)。a.NE555的特點(diǎn)有：(1)只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。具延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。(2)它的操作電源范圍極大，可與 TTL, CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。(3)其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。(4)它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。b.NE555

13、引腳位配置說明如下：圖555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖NE555的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Monostable Mutlivibrator )及無 穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。圖LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.3 LM393元件介紹圖 LM393元件外觀LM393是雙電壓比較器集成電路。該電路的特點(diǎn)如下：工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：236V,雙電源：118V;消耗電流小，Icc=0.8mA ;輸入失調(diào)電壓小，VIO=2mV;共模輸入電壓范圍寬，Vic=0Vcc-1.5V ;輸出與TTL, DTL , MOS , CMOS等兼容；輸出可

14、以用開路集電極連接“或”門；采用雙列直插8腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8腳塑料封裝（SOP8）LM393引腳功能排列表:引出端序號(hào)15263748功能輸出端1正向輸入端2反向輸入端1反向輸入端2正向輸入端1輸出端2地電源符號(hào)OUT11N+(2)1N-(1)1N-(2)1N+(1)OUT2GNDVCCLM393主要參數(shù)表:參數(shù)名稱電源電壓差模輸入電壓共模輸入電壓功耗工作環(huán)境溫度貯存溫度符號(hào)VCCVIDVIPdToprTstg數(shù)值由 8 或 36場(chǎng)6-0.3 VCC5700 to +70-65 to 150單位VVVmWCC電特性（除非特別說明，VCC=5.0V , amb=25 C）3.2

15、.4 LM2907N元件介紹在測(cè)量轉(zhuǎn)速（頻率）時(shí)，目前多采用數(shù)字電路，但有些場(chǎng)合則需要轉(zhuǎn)速（頻率） 的變化與模擬信號(hào)輸出相對(duì)應(yīng)，這樣便可在自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中用頻/壓轉(zhuǎn)換器件 代替測(cè)速發(fā)電機(jī)，從而使實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡化。美國國家半導(dǎo)體公司推出的速度（頻率） /電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2907/LM2917只需接少量的外圍元件即可構(gòu)成模擬式轉(zhuǎn)速表， 可用于測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)汽車超速報(bào)警等。(C)tc/er icvr. Com3BER0H5 0才歸a00 FWD 仍0。I/Nmc CBvri口設(shè) ?口口縣白耳fF.3SWf圖 LM2907N元件外觀LM2907為集成式頻率/電壓轉(zhuǎn)換器，芯片中包含了比較器、充電泵、高

16、增益運(yùn)算放大器，能將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。圖LM2907N內(nèi)部引腳圖LM2907的主要電性能參數(shù)如表1所列：表1 LM2907的主要電性能參數(shù)(Vcc=12VDC,TA=25 )多數(shù)MinTypMucUnits轉(zhuǎn)速討蛹入門限102540磁滯30mV偏移電壓LM2907/LM291TIJfl29a7/LM291T-83 55to15mV ir,V輸入基睢電流a. i1pA70Ka. 3VTOL2. 3V物出電流140iso240J1A扁電牖0. 1jiA噌益參數(shù)0 9i o1 1線性度-10a.3+k0%OF/AMF比較器vos310rtiAs50500ElA共模輸入電壓0Vcc-l.SV

17、V電壓增益200V/mV輸出灌電流4。50iTiA輸出源電流10mA飽和電壓0. 1OSV10V1. 01.5V4電路調(diào)試4.1 調(diào)試結(jié)果4.1.1沒有檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮4.1.2檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光二極管熄滅1.NE555定時(shí)器3號(hào)引腳的輸出波形lek 幾 0 iiig dm pg o.ooojCHI &KWM 10.0 jus9- Jul11 1M12.超聲波傳感器發(fā)射端的波形M la.Dus9-Jul-11 10:43MEASURE領(lǐng)率CH1之口通MEASURE峰超值1346 VCHI 頻率 3337 kHz -CH1hm a * jj， 士，.卜十一-，J 廠人刁IS.613 VC

18、H1最天值13.0 V555震蕩電路輸出的是頻率為39.87KHz ,平均電壓為6.19V的方波?？梢钥闯鲱l率在40KHZ左右。超聲波的輸入信號(hào)是頻率為 39.88KHZ、平均電壓為趨近于0 (13.9mv)的方波。平均電壓會(huì)變?yōu)?是因?yàn)?55振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)過了一個(gè) 0.1u的電容，由于電容充放電的平衡使得平均電壓變?yōu)榱?,這個(gè)信號(hào)正好可以作為超聲波傳感器的輸入信號(hào)3.當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，超聲波傳感器接收端的波形E3 TribdM Pos: 0.0005,nn m mu 川 5 9-Jul-ll 10.44E346小頻D.13kHzMEASURE CHI 嶼-ill菜信 *oov超聲波傳感器

19、接收器輸出信號(hào)是頻率為 40.19KHZ的正弦波。這是因?yàn)槌暡▊鞲衅鹘邮掌饔捎诮邮盏匠暡ê螅锩娴膲毫鞲衅饔捎趬弘娦?yīng)一一即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“ + ”極，另一面為-”極白第0KHz正弦電壓。該正弦波的的最大電壓大約是4.64V,最小電壓大約是2.56V。所以電壓小于3.60V的部分經(jīng)過LM393以后就輸出了低電平，接近0V,電壓大于等于3.60的部分經(jīng)過LM393以后就會(huì)輸出高電平約為12V4.當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，LM393輸出端的波形 TrigMM Pos: 0.000sMEASURE33J1kHz33.31M 1 口.鼠5 3-Jul-ll 10:

20、52HI 峰值均值CHI最大值11.0VLM393芯片的輸出波形是頻率為39.91KHZ平均電壓為3.90V的矩形波，該矩形波的最大電壓為11.2V,最小電壓接近0V,就是應(yīng)為LM393的反向端是3.90V的恒定電壓，而比較放大器正向端的正弦信號(hào)，使得正弦信號(hào)電壓小于3.90V的部分經(jīng)過LM393以后就輸出了低電平，接近0V,電壓大于等于3.90的部分經(jīng)過LM393以后就會(huì)輸出高電平約為12V,再有VR2產(chǎn)生的電壓滯后，就形成了如圖的矩形波。該信號(hào)就可以作為LM2907芯片的輸入頻率信號(hào)LM2907N的F-V （頻率-電壓）轉(zhuǎn)換電壓 Vout為：Vout=VccFinC4R1 ,該電壓與 集成

21、電路LM2907N內(nèi)部的電壓比較器進(jìn)行比較后輸出。當(dāng) Fin=40KHZ時(shí)，輸出 滿刻度電壓（12V）。由于在比較器的第10號(hào)腳OP-輸入比較電壓Vcc/2=6V ,在 20KHZ以上時(shí)，比較器就會(huì)導(dǎo)通，發(fā)光二極管就會(huì)發(fā)光。5.當(dāng)有物體遮擋時(shí)，超聲波傳感器接收端的波形Jek 幾 回 AutoM Pos: 0.000s MEASURE._2QmV_E . ;三.；. . CH1汗w J 6.250kHz?CHIi4 i*11!；;*; * * | 平值3156 VCHII： 最大值- j j,bo VCHIM 1O.Qm$ 9Jul-11 10:51在物體遮擋住超聲波的情況下，接收用的超聲波傳感

22、器 MA40A3R中就沒有信號(hào)輸 入。這時(shí)LM393的正向端輸入信號(hào)不再是正弦波，而是與反向端相等的恒定3.87V 的電壓如上圖所示。6.當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，LM393輸出端的波形Jek 幾 回 AuwM Pos: 0.000s MEASURE*峰-峰值_200mV_5.00 kHz Thi11.6VF . J二；三 一；一；j CH1M 10.0ms 9-Jul-11 10:26LM393的輸出端不會(huì)再有低電平的輸出，只有約為+12V的高電平輸出。如圖所示,這樣LM2907N內(nèi)部的電壓比較器電路就會(huì)切斷，發(fā)光二極管也不會(huì)發(fā)光。5 體會(huì)在過去的一周中，我們進(jìn)行了傳感器與檢測(cè)技術(shù)的課程設(shè)計(jì)，課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是物體檢測(cè)電路的制作。 電路由三部分組成： 以 555 振蕩電路作為超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)電路，以 LM393 芯片作為超聲波傳感器的接受電路, 以 LM2907N 芯片把傳感器接受到的頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并是發(fā)光二極管發(fā)光。利用超聲波傳感器來檢測(cè)物體的存在。同樣在這次傳感器的課程設(shè)計(jì)中我同樣學(xué)習(xí)到了我之前所不了解的很多知識(shí)，并且鍛煉了自己的動(dòng)手操作能力和提高了查找資料的水平！使我明白了自己原來知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次課程設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以