課程設(shè)計(jì)---傳感器-物體檢測(cè)電路的制作

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2</p><p>　　2 設(shè)計(jì)思路及電路原理圖4</p><p>　　2.1 555振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器4</p><p>　　2.2 用LM393制作接收電路4</p><p>　　2.3

2、用LM2907N進(jìn)行信號(hào)處理5</p><p>　　3 元件列表及主要元件介紹8</p><p>　　3.1 元件列表8</p><p>　　3.2 主要元件介紹8</p><p>　　3.2.1 超聲波原理8</p><p>　　3.2.2 NE555元件介紹9</p><p

3、>　　3.2.3 LM393元件介紹10</p><p>　　3.2.4 LM2907N元件介紹11</p><p>　　4 電路調(diào)試13</p><p>　　4.1 調(diào)試結(jié)果13</p><p>　　4.1.1 沒有檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮13</p><p>　　4.1.2 檢測(cè)到物體

4、時(shí)發(fā)光二極管熄滅13</p><p>　　4．2 電壓波形14</p><p><b>　　5 體會(huì)16</b></p><p>　　6 參考文獻(xiàn)17</p><p>　　1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　《傳感器原理與檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><

5、p>　　題目：物體檢測(cè)電路的制作</p><p><b>　　一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　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)

6、并是發(fā)光二極管發(fā)光。</p><p><b>　　二、課程設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　三、課程設(shè)計(jì)要求</b><

7、/p><p>　　1、當(dāng)有物體存在時(shí)，發(fā)光二極管熄滅；</p><p>　　2、當(dāng)沒有物體存在時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光。</p><p><b>　　四、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　1、發(fā)射電路、接受電路、轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計(jì)；</p><p><b>　　2、電路的調(diào)試；</b&g

8、t;</p><p>　　3、電路原理圖中元件清單。</p><p>　　五、課程設(shè)計(jì)報(bào)告要求</p><p>　　報(bào)告中提供如下內(nèi)容：</p><p><b>　　1、目錄</b></p><p><b>　　2、正文</b></p><p>　?。?/p>

9、1）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書；</p><p>　　（2）總體設(shè)計(jì)方案；</p><p>　?。?）原理圖（可手畫也可用protel軟件）；</p><p>　　（4）調(diào)試、運(yùn)行及其結(jié)果；</p><p><b>　　3、收獲、體會(huì)</b></p><p><b>　　4、參考文獻(xiàn)</b&g

10、t;</p><p>　　六、課程設(shè)計(jì)進(jìn)度安排</p><p>　　七、課程設(shè)計(jì)考核辦法</p><p>　　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%。</p><p>　　2 設(shè)計(jì)思路及電路原理圖</p><p>　　設(shè)計(jì)時(shí)采用

11、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。</p><p>　　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)

12、電路見圖電路原理圖。</p><p>　　2.1 555振蕩電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器</p><p>　　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。</p>&

13、lt;p><b>　　圖 555振蕩電路</b></p><p>　　2.2 用LM393制作接收電路</p><p>　　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，</p>

14、<p>　　圖 LM393比較放大電路圖</p><p>　　2.3 用LM2907N進(jìn)行信號(hào)處理</p><p>　　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。</p><p>　　在LM39

15、3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。</p><p>　　LM2907N的F-V轉(zhuǎn)換電壓VOUT為:</p><p>　　VOUT=Vcc Fin C4 R1</p><p>　　該電壓與集成電路LM2907N內(nèi)部的

16、電壓比較器進(jìn)行比較后輸出。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)電路圖如下：</b></p><p>　　當(dāng)Fin=49KHZ時(shí)，輸出滿刻度電壓（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

17、率輸入。</p><p>　　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。</p><p>　　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）</

18、p><p>　　圖 LM2907N工作電路圖</p><p>　　綜合以上分析，總電路設(shè)計(jì)原理圖如下：</p><p>　　C3為濾波電容器，F(xiàn)in>=1/2RC4時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，F(xiàn)in=20KHZ時(shí)，RC4=25uf。如果，C4=500PF,R=51K</p><p>　　D2向Vin提供0.6V的偏壓</p><

19、p><b>　　電路原理圖</b></p><p>　　3 元件列表及主要元件介紹</p><p><b>　　3.1 元件列表</b></p><p>　　3.2 主要元件介紹</p><p>　　3.2.1 超聲波原理</p><p><b>　　

20、圖 超聲波傳感器</b></p><p>　　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KHZ，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

21、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?jī)x器及裝置，并在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　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。</p><p>　　超聲波傳感器的基本原理</p><p>　　超聲波傳感器主

22、要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（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)。</p><p>　　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

23、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。</p><p>　　3.2.2 NE555元件介紹</p><p><b>　　圖 5

24、55引腳圖</b></p><p>　　NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555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)。</p><p>　　a.NE555的特點(diǎn)有：</p&g

25、t;<p>　?。?）只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。</p><p>　?。?）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。</p><p>　?。?）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。</p><

26、;p>　　（4）它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。</p><p>　　b.NE555引腳位配置說明如下：</p><p><b>　　NE555接腳圖：</b></p><p><b>　　圖555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　NE555的作用范圍很廣，但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)

27、態(tài)多諧振蕩器（Monostable Mutlivibrator）及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。</p><p>　　3.2.3 LM393元件介紹</p><p>　　圖 LM393元件外觀</p><p>　　LM393 是雙電壓比較器集成電路。</p><p><b>　　該電路的特點(diǎn)如下

28、：</b></p><p>　　工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：2～36V，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=0～Vcc-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；</p><p>　　采用雙列直

29、插8 腳塑料封裝（DIP8）和微形的雙列8 腳塑料封裝（SOP8）</p><p>　　圖 LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　LM393引腳功能排列表：</p><p>　　LM393主要參數(shù)表：</p><p>　　電特性（除非特別說明，VCC=5.0V， amb=25℃）</p><p>　　3.2.4

30、LM2907N元件介紹</p><p>　　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(jiǎn)化。美國(guó)國(guó)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。</p><p&

31、gt;　　圖 LM2907N元件外觀</p><p>　　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(yùn)算放大器，能將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。</p><p>　　圖LM2907N內(nèi)部引腳圖</p><p>　　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）

32、</p><p><b>　　4 電路調(diào)試</b></p><p><b>　　4.1 調(diào)試結(jié)果</b></p><p>　　4.1.1 沒有檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光二極管點(diǎn)亮</p><p>　　4.1.2 檢測(cè)到物體時(shí)發(fā)光二極管熄滅</p><p><b>　　

33、4．2 電壓波形</b></p><p>　　1.NE555定時(shí)器3號(hào)引腳的輸出波形</p><p>　　555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。</p><p>　　2.超聲波傳感器發(fā)射端的波形</p><p>　　超聲波的輸入信號(hào)是頻率為39.88KHz、平均電

34、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)。</p><p>　　3.當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，超聲波傳感器接收端的波形</p><p>　　超聲波傳感器接收器輸出信號(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?，里?/p>

35、的壓力傳感器由于壓電效應(yīng)——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“-”極的40KHz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12V。</p><p>　　4.當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，LM393輸出端的波形</

36、p><p>　　LM393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L(zhǎng)M393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

37、。該信號(hào)就可以作為L(zhǎng)M2907芯片的輸入頻率信號(hào)。</p><p>　　LM2907N的F-V（頻率-電壓）轉(zhuǎn)換電壓Vout為：Vout=VccFinC4R1，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。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。</p>&l

38、t;p>　　5. 當(dāng)有物體遮擋時(shí)，超聲波傳感器接收端的波形</p><p>　　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(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。</p><p>　　6. 當(dāng)沒有物體遮擋時(shí)，LM393輸出端的波形</p><p>　　LM393的輸出端

39、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。</p><p><b>　　5 體會(huì)</b></p><p>　　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

40、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。</p><p>　　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)，

41、我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。同時(shí)我們電子設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步地了解，提高了對(duì)電子設(shè)計(jì)的興趣，增強(qiáng)了大家團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力，深化了理論知識(shí)，鍛煉了自己動(dòng)手能力，學(xué)到了很多解決實(shí)際問題的方法。</p><p>　　同時(shí)，一周的實(shí)訓(xùn)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正

42、為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。并且在這次課程設(shè)計(jì)中我還有一個(gè)更大的體會(huì)那就是“團(tuán)隊(duì)很重要”，之前幾次課程設(shè)計(jì)中我們都是一對(duì)一的進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作，即各干各的，雖然那樣用助于培養(yǎng)我們自己的獨(dú)立思考能力，但是我們要知道以后我們面臨的困難都不會(huì)

43、是只憑我們一人之力所能夠解決的，此時(shí)我們就必須有人能在我們面對(duì)困境找不到頭緒時(shí)給我們指導(dǎo)和幫助，所謂術(shù)業(yè)有專攻，并充分利用他們的專長(zhǎng)來共同完成一項(xiàng)非一人能夠完成的項(xiàng)目。</p><p><b>　　6 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]陳勇.高可靠紅外線傳感器控制開關(guān)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2004 (5)</p><p>　　[

44、2]魏丑君等.CMOS 4000系列60種常用集成電路的應(yīng)用[M].人民郵電出版社,1995</p><p>　　[3]肖景和.數(shù)子集成電路應(yīng)用精粹[M].人民郵電出版社,2002</p><p>　　[4]羅四維.傳感器應(yīng)用電路詳解[M].人民郵電出版社,1993</p><p>　　[5]吳桂秀.傳感器應(yīng)用制作入門[M].浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2004</p