物体检测电路的制作.docx
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物体检测电路的制作
第一章课程设计任务书
《传感器原理与检测技术》课程设计任务书
题目：
物体检测电路的制作
一、课程设计任务
超声波传感器是利用超声波作为信息传递媒介的传感器，本课题是利用超声波传感器来检测物体的存在。
电路由三部分组成：
以555振荡电路作为超声波传感器的驱动电路，以LM393芯片作为超声波传感器的接受电路,以LM2907N芯片把传感器接受到的频率信号转化成电压信号并使发光二极管发光。
二、课程设计目的
通过本次课程设计使学生掌握：
1）了解超声波传感器的结构和工作原理；2）利用超声波传感器监测物体的存在；3）掌握电子电路实际调试技巧。
从而提高学生系统的设计和调试能力。
三、课程设计要求
1、当有物体存在时，发光二极管熄灭；
2、当没有物体存在时，发光二极管发光。
四、课程设计内容
1、发射电路、接受电路、转化电路的设计；
2、电路的调试；
3、电路原理图中元件清单。
五、课程设计报告要求
报告中提供如下内容：
1、目录
2、正文
（1）课程设计任务书；
（2）总体设计方案；
（3）原理图（可手画也可用protel软件）；
（4）调试、运行及其结果；
3、收获、体会
4、参考文献
六、课程设计进度安排
周次
工作日
工作内容
一
周
1
布置课程设计任务，查找相关资料，熟悉芯片555、LM393、LM2907N工作原理；
2
原理图的设计及发射电路的搭建；
3
接受电路、转化电路的搭建与调试；
4
系统调试并完成课程设计报告；
5
答辩
本课题共需一周时间
七、课程设计考核办法
本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。
第二章主要元件介绍
2.1元件列表
名称
图中代号
型号
备注
超声波传感器
MA40A3S/R
MA40A3S发射MA40A3R接收
时基电路
IC1
NE555
比较器
A1
LM393
专用集成电路
IC2
LM2907N
专用集成电路
稳压二极管
D1
05Z5.1
5.1V雪崩二极管
普通二极管
D2
1S1588
发光二极管
LED1
TLR143
绿色
电容器
C1-C3
C5-C6
10%,50V
10%,50V
聚酯薄膜电容器
陶瓷电容器
电阻
5%,1/4W
全部碳膜电阻器
电位器
VR1，VR2
单圈旋转型
碳膜电位器
2.2主要元件介绍
2.2.1超声波传感器原理
超声波是由机械振动产生的，可以在不同的介质中以不同的速度传播，其频率高于20KHz。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
超声波传感器利用声波介质对被检测物进行非接触式无磨损的检测超声波传感器。
超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。
其检测性能几乎不受任何环境条件的影响，包括烟尘环境和雨天。
超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式，位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波中一部分发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。
还有一些超声波传感器采用对射式的检测模式。
一套对射式超声波传感器包括一个发射器和一个接收器，两者之间持续保持“收听”。
位于接收器和发射器之间的被检测物将会阻断接收器接收发射的声波，从而传感器将产生开关信号。
2.2.2NE555元件介绍
NE555（TimerIC）为8脚时基集成电路。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的，因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉冲信号。
NE555的引脚图如图2.1所示。
图2.1NE555内部引脚图
Pin1（接地）—地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）—这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）—当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到OV左右的低电位。
高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）—一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）—这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6（重置锁定）—Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7（放电）—这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8（V+）—这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
2.2.3LM393元件介绍
LM393是双电压比较器集成电路。
主要特点如下：
（1）比较器数为2；
（2）工作温度范围为0°C—70°C；
（3）通道数为2；
（4）工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：
2～36V，双电源：
±1～±18V；
（5）消耗电流小，ICC=0.8mA；
（6）输入失调电压小，VIO=±2mV；
（7）共模输入电压范围宽，VIC=0～VCC-1.5V；
（8）输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
（9）输出可以用开路集电极连接“或”门；
（10）采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装。
LM393内部结构如图2.2所示：
图2.2LM393内部结构图
LM393引脚排布如表2.1所示：
引出端序号
1
2
3
4
5
6
7
8
功能
输出端1
反向输入端1
正向输入端1
地
正向输入端2
反向输入端2
输出端2
电源
符号
OUT1
1N-
（1）
1N+
（1）
GND
1N+
（2）
1N-
（2）
OUT2
VCC
表2.1LM393引脚排布
2.2.4LM2907N元件介绍
LM2907为集成式频率／电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，能将频率信号转换为直流电压信号。
LM2917与LM2907基本相同，区别是：
LM2917内部有一只稳压管，用于提高电源的稳定性。
LM2917进行频率倍增时只需使用一个RC网络；以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；运算放大器／比较器采用浮动三极管输出；最大50mA的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；比较器的滞后电压为30mV利用这个特性可以抑制外界干扰；输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为±0.3%；具有保护电路，不会受高于VCC值或低于地参考点输入信号的损伤；在零频率输入时，LM2907的输出电压可根据外围电路自行调节；当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。
LM2907/LM2917有DIP8和DIP14两种封装形式。
LM2907的DIP14的内部结构如图2.3所示，各引脚功能如下：
1脚（F）和11脚（IN-）为运算放大器／比较器的输入端；
2脚接充电泵的定时电容（C1）；
3脚接充电泵的输出电阻和积分电容（R1/C2）；
4脚（IN+）和10脚（UF1）为运算放大器的输入端；
5脚为输出晶体管的发射极（U0）；
8脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（UC）；
9脚为正电源端（VCC）；
12脚为接地端（GND）；
6，7，13，14脚未用。
图2.3LM2907的内部结构图
LM2907的主要电性能参数如表2.2所列：
表2.2LM2907的主要电性能参数
第三章设计思路与电路原理图
3.1以NE555振荡电路作为超声波传感器的驱动电路
发射电路是以NE555振荡电路作为超声波传感器的驱动电路，555振荡电路在他激型驱动电路中，具有可以自由选择振荡频率的优点，但会带来了频率不够稳定的缺点。
可以将频率预设为40KHz，然后用频率调整电位器将接收用超声波传感器的输出电压调整到最大。
发射电路的原理图如图3.1所示。
图3.1以NE555振荡电路作为超声波传感器的驱动电路
3.2以LM393芯片作为超声波传感器的接收电路
接收电路以LM393芯片作为超声波传感器的接收电路。
使用比较放大器LM393进行放大。
比较器和运算器一样不进行相位补偿，因此也可以像运算放大器那样高速运行。
但是，如果把它作为放大器使用，就容易产生自激振荡。
另外，为了避免噪声，可以通过正反馈的方式给它一个很小的滞后电压。
接收电路的原理图如图3.2所示。
图3.2以LM393芯片作为超声波传感器的接收电路
3.3以LM2907N芯片作为信号转化电路
转化电路是以LM2907N芯片把传感器接受到的频率信号转化成电压信号并使发光二极管发光。
LM393的输出端接在了转速计用的集成电路LM2907N上。
由于在LM2907N的内部有F-V（频率-电压）转换电路和比较电路，所以就变成了频率输入。
因此，LM393的矩形波输出就变得非常方便了。
在LM393的输出电路为低电平时，LM2907N的输入就不足。
这时，在LM2907N的第11号引脚VIN-上就只有约为0.6V的二极管正向电压的压降作为偏置电压，这正好与LM393的电压振幅相吻合。
LM2907N的F-V转换电压Vout为:
Vout=VccFinC4R1
该电压与集成电路LM2907N内部的电压比较器进行比较后输出。
设计电路图如下：
当Fin=49KHz时，输出满刻度电压（12V）。
那么，如果在比较器的第10脚OP-输入比较电压VCC/2=6V，在20KHz以上时，比较器就会导通，发光二极管发光。
也就是说，通常在没有物体遮挡超声波的情况下，接收用的超声波传感器MA40A3R中就会有40KHz的频率输入。
在物体遮挡发光二极管的情况下，接收用的超声波传感器MA40A3R中就没有信号的输入，LM2907N内部的电压比较器电路就会切断，发光二极管也就不会发光。
如果希望发光二极管的指示颠倒过来，也就是希望检测到物体时发光，而在正常状况下，即没有检测到东西时，发光二极管不发光，那么可以将比较器输入端的正负调换过来（OP-与OP+调换过来）。
转化电路的原理图如图3.3所示：
图3.3以LM2907N芯片作为信号转化电路
3.4整体设计方案
电路由三部分组成：
以555振荡电路作为超声波传感器的驱动电路，以LM393芯片作为超声波传感器的接收电路,以LM2907N芯片把传感器接受到的频率信号转化成电压信号并是发光二极管发光。
设计时采用直接型检测方式物体，将发射器与接收器相向配置，当能够直接接收到对面发射来的超声波时，或者说接收器有信号电压输出时，就表示没有物体在阻挡超声波的传输。
反过来，当没有信号电压输出时，就有物体挡住了超声波的传输。
总电路设计原理图如图3.4所示：
图3.4总电路设计原理图
第四章电路调试
4.1调试结果
参照电路原理图，仔细检查电路接线无误后，接通12V稳压电源和地线，观察结果。
4.1.1没有检测到物体存在时，发光二极管发光
在调试过程中，当电路接通12V稳压电源后，分别将发送传感器与接受传感器相对，则观察到发光二极管发光，这就表明，当超声波传感器没有检测到物体存在时，发光二极管发光。
现象如图4.1所示。
图4.1没有检测到物体存在时，发光二极管发光
4.1.2有检测到物体存在时，发光二极管不发光
在调试过程中，二极管发光后，在发送传感器与接收传感器之间用手指挡住时，发现二极管立即熄灭。
这就表明，当超声波传感器有检测到物体存在时，发光二极管熄灭。
现象如图4.2所示。
图4.2有检测到物体存在时，发光二极管熄灭
4.2调试过程中示波器显示的电压信号波形
（1）NE555定时器3号引脚的输出波形如图4.3所示
图4.3NE555定时器3号引脚的输出波形
NE555震荡电路输出的是频率为37.22KHz，平均电压为5.57V的方波。
可以看出频率在40KHz左右。
（2）超声波传感器发射端的波形如图4.4所示
图4.4超声波传感器发射端的波形
超声波的输入信号是频率为36.95KHz、平均电压为趋近于0的方波。
平均电压会变为0是因为NE555振荡器的输出信号经过了一个0.1uF的电容，由于电容充放电的平衡使得平均电压变为了0，这个信号正好可以作为超声波传感器的输入信号。
（3）当没有物体遮挡时，超声波传感器接收端的波形如图4.5所示
图4.5没有物体遮挡时，超声波传感器接收端的波形
超声波传感器接收器输出信号是频率为37.40KHz的正弦波。
这是因为超声波传感器接收器由于接收到超声波后，里面的压力传感器由于压电效应——即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“—”极的40KHz正弦电压。
该正弦波的最大电压大约是5.32V，最小电压大约是4.74V。
所以电压小于5.1V的部分经过LM393以后就输出了低电平，接近0V，电压大于等于5.1V的部分经过LM393以后就会输出高电平约为12V。
（4）当没有物体遮挡时，LM393输出端的波形如图4.6所示
图4.6没有物体遮挡时，LM393输出端的波形
LM393芯片的输出波形是频率为37.50KHz、平均电压为3.90V的矩形波，该矩形波的最大电压为12.8V,最小电压接近0V，就是因为LM393的反向端是5.1V的恒定电压，而比较放大器正向端的正弦信号，使得正弦信号电压小于5.1V的部分经过LM393以后就输出了低电平，即接近0V，电压大于等于5.1V的部分经过LM393以后就会输出高电平约为12V，再有VR2产生的电压滞后，就形成了如图的矩形波。
该信号就可以作为LM2907芯片的输入频率信号。
LM2907N的F-V（频率-电压）转换电压Vout为：
Vout=VccFinC4R1，该电压与集成电路LM2907N内部的电压比较器进行比较后输出。
当Fin=40KHZ时，输出满刻度电压（12V）。
由于在比较器的第10号脚OP-输入比较电压Vcc/2=6V，在20KHZ以上时，比较器就会导通，发光二极管就会发光。
（5）当有物体遮挡时，超声波传感器接收端的波形如图4.7所示
在物体遮挡住超声波的情况下，接收用的超声波传感器MA40A3R中就没有信号输入。
这时LM393的正向端输入信号不再是正弦波，而是与反向端大致相等恒定5.10V的电压。
图4.7当有物体遮挡时，超声波传感器接收端的波形
（6）当有物体遮挡时，LM393输出端的波形如图4.8所示
图4.8当没有物体遮挡时，LM393输出端的波形
LM393的输出端不会再有低电平的输出，只有约为+12V的高电平输出。
如图所示，这样LM2907N内部的电压比较器电路就会切断，发光二极管也不会发光。
第五章心得小结
俗话说“好的开始是成功的一半”。
通过这次实习，我们学到了很多东西。
在进行课程设计时，我们应该做到以下三点：
首先，我认为最重要的就是认真研究老师给的题目；其次，在老师讲解的基础上认真研究硬件电路的设计，和软件流程的设计；最后，重点实现电路的调试。
这次课程设计的课题是物体检测电路的制作，利用超声波传感器检测物体，不过对于我们来说，亲自动手整体设计还是很有挑战性的。
查找资料是我们的第一步，我们通过各种途径，比如上网、图书馆以及询问老师等等方法收集了很多资料，然后汇总，将我们在这次课程设计中可能遇到的问题的解决方案都纳入了我们的资料库。
接着就是硬件电路设计。
其实，这对我们每个人来说都是一个挑战。
硬件设计是我最担心的，平时对这方面的实际操作比较少，能力上有所欠缺。
我们遇到问题，就向大家提出，然后寻找答案，共同解决，这样进展就好很多。
我在这个过程中，受到了好多帮助，其实这次的课程设计我的最大的感受不是知识的获得，而是人格的磨练和交际的能力。
“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。
综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次基于超声波传感器检测的设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了传感器技术等课程所学的内容，掌握超声波传感器检测物体具体设计的方法和步骤，掌握了超声波传感器的工作原理和使用方法，提高了分析能力，综合运用能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
其实这次的课程设计我的最大的感受不是知识的获得，而是人格的磨练和交际的能力。
课程设计这样集体的任务光靠团队里的一个人或几个人是不可能完成好的，合作的原则就是要利益均沾，责任公担。
在团队中，当然也会出现一些矛盾，当然这是不可避免的。
在产生小矛盾的时候，我们没有逃避。
重要的是我们如何去解决它。
我想经过这样的一个过程我们会学到很多，学会了怎样去和别人沟通，理解别人所做的事，别人也会宽容的对待我们，从而我们就在无形之中加强了我们的人际交往能力。
这个经验对我们以后的人生将会发挥很大的作用。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计硬件接线图的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
将理论知识充分运用到实践操作中，使我们的专业知识得到了进一步的巩固，为以后的工作打下了坚实的基础。
对于我们以后学习、找工作也真是受益菲浅。
参考文献
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清华大学出版社，2008.
[6]阮一辉.基于超声波定位技术的障碍物探测[D].苏州:
苏州大学,2007.
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