传感器物体检测电路的制作.docx
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传感器物体检测电路的制作
1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设计思路及电路原理图
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。
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。
设计电路见图电路原理图。
2.1555振荡电路驱动超声波传感器
如图，发射用超声波传感器的驱动电路是使用时基电路555的他激型震荡驱动电路，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计将接收用超声波传感器的输出电压调整到最大。
图555振荡电路
2.2用LM393制作接收电路
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告诉运行。
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，
图LM393比较放大电路图
2.3用LM2907N进行信号处理
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。
这么一来，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的弟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）
图LM2907N工作电路图
综合以上分析，总电路设计原理图如下：
C3为滤波电容器，Fin>=1/2RC4时，发光二极管发光，Fin=20KHZ时，RC4=25uf。
如果，C4=500PF,R=51K
D2向Vin提供0.6V的偏压
电路原理图
3元件列表及主要元件介绍
3.1元件列表
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
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
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
3.2主要元件介绍
3.2.1超声波原理
图超声波传感器
超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：
横向振荡（横波）及纵和振荡（纵波）。
在工业中应用主要采用纵向振荡。
超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。
另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。
在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。
在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。
利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在各个行业得到广泛应用。
超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位传感器；反射型用于材料探伤、测厚传感器等。
超声波传感器的基本原理
超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。
电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。
压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。
超声波传感器包括三个部分：
超声换能器、处理单元和输出级。
首先处理单元对超声换能器加以电压激励，其受激后以脉冲形式发出超声波，接着超声换能器转入接受状态（相当于一个麦克风），处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析，判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。
如果是，就测量超声波的行程时间，根据测量的时间换算为行程，除以2，即为反射超声波的物体距离。
把超声波传感器安装在合适的位置，对准被测物变化方向发射超声波，就可测量物体表面与传感器的距离。
3.2.2NE555元件介绍
图555引脚图
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555内部结构图
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）。
3.2.3LM393元件介绍
图LM393元件外观
LM393是双电压比较器集成电路。
该电路的特点如下：
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）
图LM393内部结构图
LM393引脚功能排列表：
引出端序号
1
5
2
6
3
7
4
8
功能
输出端1
正向输入端2
反向输入端1
反向输入端2
正向输入端1
输出端2
地
电源
符号
OUT1
1N+
（2）
1N-
（1）
1N-
（2）
1N+
（1）
OUT2
GND
VCC
LM393主要参数表：
参数名称
电源电压
差模输入电压
共模输入电压
功耗
工作环境温度
贮存温度
符号
VCC
VID
VI
Pd
Topr
Tstg
数值
±18或36
±36
-0.3～VCC
570
0to+70
-65to150
单位
V
V
V
mW
℃
℃
电特性（除非特别说明，VCC=5.0V，amb=25℃）
3.2.4LM2907N元件介绍
在测量转速（频率）时，目前多采用数字电路，但有些场合则需要转速（频率）的变化与模拟信号输出相对应，这样便可在自动控制系统实验中用频／压转换器件代替测速发电机，从而使实验设备简化。
美国国家半导体公司推出的速度（频率）／电压转换芯片LM2907/LM2917只需接少量的外围元件即可构成模拟式转速表，可用于测量电机转速，实现汽车超速报警等。
图LM2907N元件外观
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。
图LM2907N内部引脚图
LM2907的主要电性能参数如表１所列：
表1 LM2907的主要电性能参数（Vcc=12VDC,TA=25）
4电路调试
4.1调试结果
4.1.1没有检测到物体时发光二极管点亮
4.1.2检测到物体时发光二极管熄灭
4．2电压波形
1.NE555定时器3号引脚的输出波形
555震荡电路输出的是频率为39.87KHz，平均电压为6.19V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
超声波的输入信号是频率为39.88KHz、平均电压为趋近于0（13.9mv）的方波。
平均电压会变为0是因为555振荡器的输出信号经过了一个0.1u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
超声波传感器接收器输出信号是频率为40.19KHz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。
该正弦波的的最大电压大约是4.64V，最小电压大约是2.56V。
所以电压小于3.60V的部分经过LM393以后就输出了低电平，接近0V,电压大于等于3.60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
LM393芯片的输出波形是频率为39.91KHz平均电压为3.90V的矩形波，该矩形波的最大电压为11.2V,最小电压接近0V，就是应为LM393的反向端是3.90V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3.90V的部分经过LM393以后就输出了低电平，接近0V,电压大于等于3.90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
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，而是与反向端相等的恒定3.87V的电压如上图所示。
6.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。
5体会
在过去的一周中，我们进行了传感器与检测技术的课程设计，课程设计的内容是物体检测电路的制作。
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是发光二极管发光。
利用超声波传感器来检测物体的存在。
同样在这次传感器的课程设计中我同样学习到了我之前所不了解的很多知识，并且锻炼了自己的动手操作能力和提高了查找资料的水平！
使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
同时我们电子设计有了进一步地了解，提高了对电子设计的兴趣，增强了大家团队的协作能力，深化了理论知识，锻炼了自己动手能力，学到了很多解决实际问题的方法。
同时，一周的实训使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
并且在这次课程设计中我还有一个更大的体会那就是“团队很重要”，之前几次课程设计中我们都是一对一的进行设计和操作，即各干各的，虽然那样用助于培养我们自己的独立思考能力，但是我们要知道以后我们面临的困难都不会是只凭我们一人之力所能够解决的，此时我们就必须有人能在我们面对困境找不到头绪时给我们指导和帮助，所谓术业有专攻，并充分利用他们的专长来共同完成一项非一人能够完成的项目。
6参考文献
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[5]吴桂秀.传感器应用制作入门[M].浙江科学技术出版社,2004
[6]潘永雄等.电子线路CAD实用教程.西安电子科技大学出版社,2002
[7]陈永莆.红外探测与控制电路[M].人民邮电出版社,2005
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