傳感器物體檢測電路設(shè)計

1、課程設(shè)計用紙目錄1.課程設(shè)計任務(wù)書22.電路原理圖43.設(shè)計思路44.元件清單65.主要元件介紹75.1 超聲波傳感器75.2 NE55575.3 LM39395.4 LM2907芯片106.電路調(diào)試126.1電路調(diào)試結(jié)果（實物）126.2 電路調(diào)試電壓及波形137.個人體會158.參考文獻(xiàn)161.課程設(shè)計任務(wù)書傳感器原理與檢測技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書題目：物體檢測電路的制作一、課程設(shè)計任務(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)動電路，以LM393芯片作為超聲波傳感器的接受電路,以LM290

2、7N芯片把傳感器接受到的頻率信號轉(zhuǎn)化成電壓信號并是發(fā)光二極管發(fā)光。二、課程設(shè)計目的通過本次課程設(shè)計使學(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)測物體的存在；3）掌握電子電路實際調(diào)試技巧。從而提高學(xué)生系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試能力。三、課程設(shè)計要求1、當(dāng)有物體存在時，發(fā)光二極管熄滅；2、當(dāng)沒有物體存在時，發(fā)光二極管發(fā)光。四、課程設(shè)計內(nèi)容1、發(fā)射電路、接受電路、轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計；2、電路的調(diào)試；3、電路原理圖中元件清單。五、課程設(shè)計報告要求報告中提供如下內(nèi)容：1、目錄2、正文（1）課程設(shè)計任務(wù)書；（2）總體設(shè)計方案；（3）原理圖（可手畫也可用protel軟件）；（4）調(diào)試、運行及其

3、結(jié)果；3、收獲、體會4、參考文獻(xiàn)六、課程設(shè)計進(jìn)度安排周次工作日工作內(nèi)容一周1布置課程設(shè)計任務(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)計報告；5答辯本課題共需一周時間七、課程設(shè)計考核辦法本課程設(shè)計滿分為100分，從課程設(shè)計平時表現(xiàn)、課程設(shè)計報告及課程設(shè)計答辯三個方面進(jìn)行評分，其所占比例分別為20%、40%、40%。2.電路原理圖圖一 超聲波傳感器物體檢測電路3.設(shè)計思路圖一所示的是使用直接檢測方式檢測物體的電路。 用NE55作為發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動電路其中的發(fā)射用超聲波傳感器的

4、驅(qū)動電路是使用時基電路555的他激型振蕩驅(qū)動電路。可以將頻率預(yù)設(shè)成40KHz，然后再用頻率調(diào)整電位器VR1將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。見右圖。 用LM393制作接收電路 對于接收用的超聲波傳感器MA40A3R的輸出電壓，使用比較放大器LM393進(jìn)行放大。如右圖。 用LM2907進(jìn)行信號處理LM393的輸出端連接在了轉(zhuǎn)速計用的集成電路LM2907N上。由于在LM2907N的內(nèi)部有F-V（頻率-電壓）轉(zhuǎn)換電路和比較器電路，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。圖五所示是LM2907N的內(nèi)部電路，表是它的電學(xué)特性。在LM393的輸出電壓為“L”電平時，

5、LM2907N的輸入就不足。這時，在LM2907N的第11號引腳Vin-上就只有約為0.6V的二極管正向電壓降作為偏執(zhí)電壓，這正好與LM393的電壓振幅相吻合。LM2907N的F-V（頻率-電壓）轉(zhuǎn)換電壓Vout為Vout=Vcc*fin*C4R1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。在圖一所示的電路參數(shù)的情況下，當(dāng)Fin=40KHz時，輸出滿刻度電壓(12V)。那么，如果在比較器的第10號腳OP-輸入比較電壓Vcc/2=6V，在20KHz以上時，比較器就會導(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中會有40KH

6、z的頻率輸入。在物體遮擋住超聲波的情況下，接收用的超聲波傳感器MA40A3R中就沒有信號輸入，LM2907N內(nèi)部電壓比較器電路就會切斷，發(fā)光二極管就不會發(fā)光。如果希望發(fā)光二極管的指示顛倒過來，也就是希望檢測到物體時發(fā)光；而在正常狀態(tài)下，即沒有檢測到物體時，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。4.元件清單名稱圖中代號型號備注比較器A1LM393超聲波傳感器MA40A3S/RMA40A3S發(fā)射，MA40A3R接收時基電路IC1NE555專用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

7、-C3,C5-C610%,50V10%,50V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5.主要元件介紹5.1 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等

8、方面。 以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。圖二 超聲波傳感器5.2 NE555NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同；而555是一個用途很廣且相當(dāng)普遍

9、的計時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。 a. NE555的特點有： （1）只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 （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，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。 （4）它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。 b.NE555引腳位配置說明如下： NE555接腳圖： 圖三NE555的結(jié)構(gòu)圖Pin 1 (接地)地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地

10、。 Pin 2 (觸發(fā)點)這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。 Pin 3 (輸出)當(dāng)時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。 Pin 4 (重置)一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 (控制)這個接腳準(zhǔn)許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當(dāng)計數(shù)器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 (重置鎖定)Pin 6重置

11、鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。 Pin 7 (放電)這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +)這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。 參數(shù)功能特性： (1)供應(yīng)電壓4.5-18V (2)供應(yīng)電3-6mA (3)輸出電225mA(max) (4)上升/下時間100ns c.NE555的相關(guān)應(yīng)用: 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（Mono

12、stable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。5.3 LM393LM393 是雙電壓比較器集成電路。 比較器數(shù):2 ；工作溫度范圍:0°C to +70°C； 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：±1±18V； 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； 輸出可以用開路集電極連接“或”門； 采用雙列直插8 腳塑料封裝（DIP

13、8）和微形的雙列8 腳塑料封裝（SOP8）。 (a)LM393芯片 (b)LM393的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖四 LM393芯片及內(nèi)部結(jié)構(gòu)5.4 LM2907芯片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、高增益運算放大器，能將頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。LM2917與LM2907基本相同，區(qū)別是：LM2917內(nèi)部有一只穩(wěn)壓管，用于提高電源的穩(wěn)定性。LM2917進(jìn)行頻率倍增時只需使用一個RC網(wǎng)絡(luò)；以地為參考點的轉(zhuǎn)速計（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；運算放大器比較器采用浮動三極管輸出；最大50mA的輸出電流可驅(qū)動開關(guān)管、發(fā)光二極管等；內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計使用充電泵技術(shù)，對低紋波有頻率倍增功能；比

14、較器的滯后電壓為30mV利用這個特性可以抑制外界干擾；輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為±0.3%；具有保護(hù)電路，不會受高于Vcc值或低于地參考點輸入信號的損傷；在零頻率輸入時，LM2907的輸出電壓可根據(jù)外圍電路自行調(diào)節(jié)；當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過某一給定值時，可將輸出用于驅(qū)動繼電器、指示燈等負(fù)載。LM2907的主要電性能參數(shù)如表一所列。圖五 LM2907N的原理框圖表一  LM2907的主要電性能參數(shù)（Vcc=12VDC,TA=25）6.電路調(diào)試6.1電路調(diào)試結(jié)果（實物） 沒有檢測到物體時發(fā)光二極管點亮 檢測到物體時發(fā)光二極管熄滅6.2 電路調(diào)試電壓及波形 沒有物體存在

15、時，LED1點亮，NE555定時器3號引腳的輸出波形左圖說明555振蕩電路輸出的是頻率為39.87KHZ，平均電壓為6.19V的方波。 超聲波傳感器發(fā)射端的波形左圖說明超聲波的輸入信號是頻率為39.88KHz(約為40KHz)，平均電壓為13.9mV(約為0)的方波。其中電容充放電的過程使得平均電壓最終為0，這個信號正好可以作為超聲波傳感器的輸入信號。 當(dāng)沒有物體存在時，超聲波傳感器接收端的波形左圖說明超聲波傳感器接收端輸出頻率為40.19KHZ(約為40KHz)的正弦波，頻率未改變。這是壓力傳感器由于壓電效應(yīng)，使得電壓小于3.54V的部分經(jīng)過LM393后輸出低電平，電壓大于等于3.54的部分

16、經(jīng)過LM393后輸出高電平。 當(dāng)沒有物體存在時，LM393輸出端的波形左圖說明LM393芯片的輸出頻率為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，該信號作為LM2907芯片的輸入頻率信號。 當(dāng)有物體存在時，超聲波傳感器接收端的波形左圖說明超聲波傳感器之間有物體存在時，二極管熄滅。這時LM393的正向端輸入信號不再是正弦波，而是與反向端相等，變?yōu)?.54V。 當(dāng)有物體存在時，LM393輸出端的波形左圖說明此時LM393的輸出端不再是低電平，而變?yōu)?12V的高電平輸出。這樣LM2907N內(nèi)部的電壓比較器電路就會切斷，發(fā)光二極管也不會發(fā)光7.個

17、人體會一周的課程設(shè)計結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計中不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會了合作，學(xué)會了運籌帷幄，學(xué)會了寬容，學(xué)會了理解，也學(xué)會了做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)通過這次傳感器技術(shù)課程設(shè)計，本人在多方面都有所提高。通

18、過這次傳感器技術(shù)課程設(shè)計，綜合運用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和生產(chǎn)實際知識進(jìn)行一次基于超聲波傳感器檢測的設(shè)計工作的實際訓(xùn)練從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨立工作能力，鞏固與擴(kuò)充了傳感器技術(shù)等課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握超聲波傳感器測具體設(shè)計的方法和步驟，掌握了超聲波傳感器的工作原理和使用方法，提高了分析能力，綜合運用能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時各科相關(guān)的課程都有了全面的復(fù)習(xí)，獨立思考的能力也有了提高。在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計硬件接線圖的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。在此感謝我們的張水平老師，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；老師循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪；這次課程設(shè)計的每個實驗細(xì)節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開老師您的細(xì)心