传感器物体检测电路设计Word文档格式.docx
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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是发光二极管发光。
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%。
2.电路原理图
图一超声波传感器物体检测电路
3.设计思路
图一所示的是使用直接检测方式检测物体的电路。
⑴用NE55作为发射用超声波传感器的驱动电路
其中的发射用超声波传感器的驱动电路是使用时基电路555的他激型振荡驱动电路。
可以将频率预设成40KHz，然后再用频率调整电位器VR1将接收用超声波传感器的输出电压调整到最大。
见右图。
⑵用LM393制作接收电路
对于接收用的超声波传感器MA40A3R的输出电压，使用比较放大器LM393进行放大。
如右图。
⑶用LM2907进行信号处理
LM393的输出端连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）转换电路和比较器电路，所以就变成了频率输入。
这么一来，LM393的矩形波输出就变得非常方便了。
图五所示是LM2907N的内部电路，表是它的电学特性。
在LM393的输出电压为“L”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的二极管正向电压降作为偏执电压，这正好与LM393的电压振幅相吻合。
LM2907N的F-V（频率-电压）转换电压Vout为
Vout=Vcc*fin*C4R1
该电压与集成电路LM2907N内部的电压比较器进行比较后输出。
在图一所示的电路参数的情况下，当Fin=40KHz时，输出满刻度电压（12V）。
那么，如果在比较器的第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中会有40KHz的频率输入。
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，LM2907N内部电压比较器电路就会切断，发光二极管就不会发光。
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；
而在正常状态下，即没有检测到物体时，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。
4.元件清单
名称
图中代号
型号
备注
比较器
A1
LM393
超声波传感器
MA40A3S/R
MA40A3S发射，MA40A3R接收
时基电路
IC1
NE555
专用集成电路
IC2
LM2907N
5.1V雪崩二极管
二极管
D1
D2
05Z5.1
1S1588
发光二极管
LED1
TLR143
红色
电容器
C1-C3,
C5-C6
10%,50V
聚酯薄膜电容器
陶瓷电容器
电阻器
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
5.主要元件介绍
5.1超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。
超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。
小功率超声探头多作探测作用。
它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
图二超声波传感器
5.2NE555
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之脉波讯号。
a.NE555的特点有：
（1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
（2）它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
（3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
（4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
b.NE555引脚位配置说明如下：
NE555接脚图：
图三NE555的结构图
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O伏左右的低电位。
于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。
当计数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）。
参数功能特性：
（1）供应电压4.5-18V
（2）供应电流3-6mA
（3）输出电流225mA（max）
（4）上升/下降时间100ns
c.NE555的相关应用:
NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（MonostableMutlivibrator）及无稳态多谐振荡器（AstableMultivibrator）。
5.3LM393
LM393是双电压比较器集成电路。
比较器数:
2；
工作温度范围:
0°
Cto+70°
C；
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；
消耗电流小:
ICC=0.8mA；
输入失调电压小:
VIO=±
2mV；
共模输入电压范围宽:
VIC=0～VCC-1.5V；
输出与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容；
输出可以用开路集电极连接“或”门；
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（SOP8）。
（a）LM393芯片（b）LM393的内部结构
图四LM393芯片及内部结构
5.4LM2907芯片
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的主要电性能参数如表一所列。
图五LM2907N的原理框图
表一
LM2907的主要电性能参数（Vcc=12VDC,TA=25）
6.电路调试
6.1电路调试结果（实物）
⑴没有检测到物体时发光二极管点亮
⑵检测到物体时发光二极管熄灭
6.2电路调试电压及波形
⑴没有物体存在时，LED1点亮，NE555定时器3号引脚的输出波形
左图说明555振荡电路输出的是频率为39.87KHZ，平均电压为6.19V的方波。
⑵超声波传感器发射端的波形
左图说明超声波的输入信号是频率为39.88KHz（约为40KHz），平均电压为13.9mV（约为0）的方波。
其中电容充放电的过程使得平均电压最终为0，这个信号正好可以作为超声波传感器的输入信号。
⑶当没有物体存在时，超声波传感器接收端的波形
左图说明超声波传感器接收端输出频率为40.19KHZ（约为40KHz）的正弦波，频率未改变。
这是压力传感器由于压电效应，使得电压小于3.54V的部分经过LM393后输出低电平，电压大于等于3.54的部分经过LM393后输出
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