超声波报警器课程设计.docx

1、超声波报警器课程设计湖南文理学院芙蓉学院课 程 实 习 报 告 实习名称: 电子设计制作与工艺实习学生姓名： 曹泽宇 学 号： 11160114 专业班级： 通信工程 指导教师： 王立 完成时间： 2013年6月20日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 超声波防盗报警器设计 目录：摘要第一章 前言第二章 超声波防盗报警器总体设计方案 2.1 51单片机的超声波防盗报警器2.2 敏感元件T40-16，R40-16的超声波报警器 2.3 方案论证与选择第三章 模块功能介绍及电路设计3.1 超声波发射模块3.2 超声波接收放大与检波滤波电路3.3 电平比较与检测电路3.4 延时控制电路3.5

2、声光报警电路3.6 参数计算与调试第4章 模块的连接关系第五章 FM/AM式收音机的组装 5.1 收音机原理 5.1.1 无线广播信号的发送与接收 5.1.2 调制的作用： 5.1.3 调幅（幅度调制）基本原理： 5.1.4 调频的基本原理 5.2 集成电路收音机电路与分析 5.3 焊接过程与方法第六章 Protel 99 SE使用介绍第七章 设计总结与体会参考文献附录一：超声波防盗报警器总设计图附录二：收音机电路图及PCB版设计图摘要： 防盗报警系统是用物理或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。一旦发生突发

3、状况，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。 本设计报告所制作的超声波防盗报警电路，能准确地探测出前方1米以内的障碍物，并经检测反射回来的超声波信号，以控制报警电路工作。 发射器向被监测区域发射等幅超声波信号，接收器接收反射回来的超声波，若无物体进入被探测区域时，反射回来的超声波是等幅的。当有活动的物体进入监测区域时，反射回来的超声波幅度不等，并且不断变化，当接收电路检测到此类变化的信号时控制电路做出反应即发出声、光报警信息。关键字： 超声波 防盗 多谐振荡器 报警第一章 前言： 超声波探测器有着广泛的用途 。例如，自动开关门的检测、控制器；电梯自动启动器；

4、防盗报警探测器等。这种探测器的特点是可以判断被探测区域内有无活动的人动物或其它移动的物体，控制围较大 ，可靠性高。这种超声波探测器具有两种典型结构：其一是发射器和接收器相对放置，物体挡住超声波的传播路径时即被检测到物体的存在，这种结构类似于红外线防盗报警器的道理。另一种应用较广泛的结构是超声波发射器和接收器并排放在一起。发射器发射超声波，接收器接收反射回来的超声波，通过反射的超声波可以判断有无被探测物体的存在，及存在的距离等。 本实习报告介绍了利用超声波敏感元件作为发射头和接受头, 发射器向被监测区域发射等幅超声波信号，接收器接收反射回来的超声波，若无物体进入被探测区域时，反射回来的超声波是等

5、幅的。当有活动的物体进入监测区域时，反射回来的超声波幅度不等，并且不断变化，当接收电路检测到此类变化的信号时控制电路做出反应即发出声、光报警信息。本报告中的超声波防盗报警器具有以下功能和特点：侦测范围1米左右；有效范围内侦测到有物体移动时，20秒延迟左右发出声、光报警，以便使用者进入时有切除警报；发出声、光报警信号经2分钟后能自动撤除警报，以便重复侦测报警。第2章 超声波防盗报警器总体设计方案2.1 方案一 基于51单片机的超声波防盗报警器（资料）该方案如图所示，51单片机产生40K频率的信号，经过整形后送到超声波发射器使其发出超出波，反射器向被探测区域发出等幅超声波，接收器接受反射回来的超声

6、波，当没有物体进入被探测区域时，反射回来的超声波是等幅的；当有物体移动时，接收器接收到的超声波幅度不等，并且不断发生变化，接收电路接收到信号后，经过放大检波滤波后，又经过电平比较后，转换成电平信号，由单片机检测到后，进行延时处理，处理后驱动报警电路从而发生声光报警。2.2 方案二：基于敏感元件T40-16，R40-16的超声波报警器 本超声波防盗报警器采用元件T40-16，R40-16作为超声波发射、接受传感器，利用该传感器的特殊性能来控制报警电路。当有物体移动时，接收器接收到的超声波幅度不等，并且不断发生变化，接受电路接收到信号后经过放大、检测、比较、电平检测、执行，使报警电路产生声、光报警

7、。其整个电路的方框图见如下图。发射器由时555芯片为主构成。接收器的组成是：接收到的信号经过RC滤波后，再经过运算放大器作为前级放大；放大的信号经过二极管进行幅度检波后，再经过滤波和运算放大，经二极管整流后得到比较平滑的直流电平；送至由运算放大器组成的比较器，进行电平比较检测，有物体移动时输出为低电平，产生一个负脉冲触发后级的单稳电路等延时器件。当有物体在探头前移动时，报警系统延时约20秒报警，以便使用者自己能通过按键关闭系统。系统的声、光报警设置在两分钟左右，两分钟后，系统自动撤除报警，以便重复检测。2.3 方案论证与选择 方案一将采用单片机进行控制，这样电路复杂程度将会增加，而且还要进行软

8、件设计，成本增加，工作量加大,且对于单片机的软件设计，我们并没有深入学习。鉴此，我选用方案二，这样可以使电路简单实用，而且也不会涉及到软件设计，不但可以节约成本，而且设计起来简单方便。第三章、单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 超声波发射模块 发射器采用通用555时基集成电路，它的晟大优点是电路较简单、调整方便，而且频率稳定。在时基电路的输出端接了反相器，为的是提高时基电路带负载的能力，同时也起到对输出波形整形的作用。经这两极反相器驱动超声波发射头，通过发射头内部的陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动信号 ，经锥形辐射口将40kHz的方波信号以最大的声压能级向空间辐射出去。采用元件T40-16,

9、R40-16作为超声波发射、接收传感器； 介绍如下：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。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

10、（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。其性能参数见表1所示： 表1：超声波传感器电性能参数：型号用途中心频率带宽灵敏度（40kHz）电容量（Pf）绝缘电阻（M）最大输出电压(MV)UCM-40T发射40KHZ96KHz/db110dB170010020UCM-40R接收40KHZ-73KHz/db-65 dB1700100 采用NE555构成多谐振荡器，来产生40KHZ方波信

11、号。 下面介绍555集成定时器： 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555 定时器的内部电路框图及引脚如图2.图3所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电

12、压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。555定时器的功能表见表2。 图1 555等效电路图 图2 555 内部结构图 图3 555 引脚图表2 555 功能表清零端高触发端TH低触发端Q放电管T功能00导通直接清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置1

13、1110导通清零 (1) 构成基本多谐振荡器 多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电

14、管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=（R1R2）C。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，uc电压总是在（1/32/3）Vcc之间变化。图1（b）所示为工作波形。图1555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形图4 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形 该模块的原理图见下图5 图5 超声波发射模块

15、3.1.2 超声波接收放大与检波滤波电路 接收到的信号经过R6,C4滤波后，经过运算放大器作为前级放大,放大倍数为A1=R7/R5=47,又经过A2=R9/R8=47,总的增益A=47*47；放大的信号经过二极管D1,D2进行幅度检波后，在所探测的区域没有物体移动时输出为零，当存在活动的物体即有电压信号。运算放大器采用的是TL082,首先介绍一下其有关资料：TL082 宽带高速运算放大器，其管脚图及原理图如图6.图7所示：图6 运算放大器管脚图 图7 超声波接收放大与检波滤波电路 3.1.3电平比较与检测电路存在活动的物体时便有电压信号，再经过滤波和运放放大，经二极管D3,D4整流后得到比较平

16、滑的直流电平； 得到的直流电平延时1S后送至一个由运算放大器组成的比较器，进行电平比较检测 ，有物体移动时输出为低电平，产生一个负脉冲。该模块的运放用的是LM358,介绍其相关资料： 该模块管脚及原理图见图8.图9 图8 LM358管脚图 图9 电平比较与检测电路3.1.4 延时控制电路当有物体移动使会产生一个负脉冲触发后面的单稳电路。该模块采用555定时器构成单稳电路来实现延时和定时的目的。采用两个555定时器分别实现定时20S和140S，然后将，将IC2 NE555的3脚输出20S的脉冲信号取反后与IC3 NE555 3脚输出的140S脉冲信号相与，就可以实现20S延时后，2分钟的定时报警

17、。在IC3的4脚接按键，当需要切除警报时，按下该键复位即可实现。先介绍下555构成单稳电路的原理，见图10 图10 555构成单稳电路 接通VCC后瞬间，VCC通过R对C充电，当uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，uo0。这时Q=1，放电管T导通，C通过T放电，电路进入稳态。ui到来时，因为uiVCC/3，使C20，触发器置1，uo又由0变为1，电路进入暂稳态。由于此时Q=0，放电管T截止，VCC经R对C充电。虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2的输出变为1，但充电继续进行，直到uc上升到2VCC/3时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo0T导通，C放电，电路

18、恢复到稳定状态。脉冲宽度tp=1.1RC.该模块的时序图如图11：有人进入时产生一个负的触发脉冲，触发定时器产生20S延时，在20S内若未解除警报，则产生2分钟定时报警；若在20S内按复位键解除警报，则不会触发声光报警电路。VtkVo2ResetVo3图 11 延时控制电路的时序图该模块的原理图如图12所示： 图12 延时控制电路原理图3.1.5 声光报警电路该模块用555构成多谐振荡器来产生的方波信号来驱动发光二极管和扬声器，从而实现声、光报警。555的复位脚是由2分钟的定时信号来控制的，当2分钟未到时，复位脚未高电平正常工作，当时间到后，复位脚为低电平，停止工作。该模块的原理图如图13所示

19、： 图13 声光报警原理图3.2 单元模块的连接关系模块2，模块3依次相连，将模块3的输出作为模块4触发脉冲输入端的信号，将模块的最后输出信号连接到模块5的4脚复位端即可连接完毕。第四章 参数计算与调试根据555定时器产生的单稳态脉冲宽度为tp=1.1RC,定时20S和120S，通过计算可知，模块4中的电阻在IC2中R=200K，C=100uF,在IC3中R=1.2M,C=100Uf,而模块1和模块5中用到的多谐振荡器的频率有公式：F=1.433/(RA+RB)*C计算。 超声波发射器和接收器在安装上必须注意，它们之间必须保持弹性联接，而不要钢性固定。避免发射波直接通过钢性联接传到接收器件。电

20、路中有3个电位器VR，VR1用来调节发射电路的振荡频率，调节VR1，使其达到最大值，此时VR1最好应停在中间位置。第5章 FM/AM式收音机的组装5.1 收音机原理 5.1.1无线广播信号的发送与接收 无线广播的发送： 图11 无线电广播发射原理框图 5.1.2调制的作用： 1、声音信号都是一样的，如果不处理就向空中发射，则所有电台的声音信号将混在一起，将互相干扰变成杂音而无法接收。因此必须利用调制将不同信号调制的不同频段上。 2、低频电磁波传输距离不如高频电磁波，且要求较长的发射天线。通过调制可以将低频信号变为高频信号。发射天线长度与波长的关系：无线广播采用调幅（AM）、调频（FM）调相（P

21、M）信号的调制方式： 5.1.3 调幅（幅度调制）基本原理：调幅: 是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。 5.1.4 调频的基本原理 所谓调频，就是使载波的瞬时频率随调制信号的规律而变化。从调频波形可见，调频波振幅保持不变，调频波的频率跟随信号的变化规律而改变。 5.2 集成电路收音机电路与分析本实训中的收音机的是高灵敏AM/FM教学收音机，收音机电路主要由日本索尼公司生产的专为调频、调幅收音机设计的大规模集成电路CD1961CB组成。

22、由于集成电路内部无法制作电感、大电容和大电阻，故外围元件多以电感、电容和电阻为主，组成各种控制、供电、滤波等电路。 5.3 焊接过程与方法（1）焊前处理步骤焊接前，应对元器件引脚或电路板的焊接部位进行处理，一般有“刮”、“镀”、“测”三个步骤：“刮”：就是在焊接前做好焊接部位的清洁工作。一般采用的工具是小刀和细砂纸，对集成电路的引脚、印制电路板进行清理，去除其上的污垢，清理完后一般还需要往待拆元器件上涂上助焊剂。“镀”：就是在刮净的元器件部位上镀锡。具体做法是蘸松香酒精溶液涂在刮净的元器件焊接部位上，再将带锡的热烙铁头压在其上，并转动元器件，使其均匀地镀上一层很薄的锡层。“测”：就是利用万用表

23、检测所有镀锡的元器件是否质量可靠，若有质量不可靠或已损坏的元器件，应用同规格元器件替换。（2）焊接步骤做好焊前处理之后，就可进行正式焊接。不同的焊接对象，其需要的电烙铁工作温度也不相同。判断烙铁头的温度时，可将电烙铁碰触松香，若有“吱吱”的声音，说明温度合适；若没有声音，仅能使松香勉强熔化，则说明温度太低；若烙铁头一碰上松香就大量冒烟，则说明温度太高。一般来讲，焊接的步骤主要有三步：（1）烙铁头上先熔化少量的焊锡和松香，将烙铁头和焊锡丝同时对准焊点。（2）在烙铁头上的助焊剂尚未挥发完时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，开始熔化焊锡。（3）当焊锡浸润整个焊点后，同时移开烙铁头和焊锡丝。焊接过程一般

24、以23s为宜。焊接集成电路时，要严格控制焊料和助焊剂的用量。为了避免因电烙铁绝缘不良或内部发热器对外壳感应电压而损坏集成电路，实际应用中常采用拔下电烙铁的电源插头趁热焊接的方法。电烙铁虚焊及其防治方法焊接时，应保证每个焊点焊接牢固、接触良好，锡点应光亮、圆滑无毛刺，锡量适中。锡和被焊物熔合牢固，不应有虚焊。所谓虚焊，是指焊点处只有少量锡焊住，造成接触不良，时通时断。为避免虚焊，应注意以下几点：（1）保证金属表面清洁 若焊件和焊点表面带有锈渍、污垢或氧化物，应在焊接之前用刀刮或砂纸磨，直至露出光亮金属，才能给焊件或焊点表面镀上锡。（2）掌握温度 为了使温度适当，应根据元器件大小选用功率合适的电烙

25、铁，并注意掌握加热时间。若用功率小的电烙铁去焊接大型元器件或在金属底板上焊接地线，易形成虚焊。 烙铁头带着焊锡压在焊接处时，若移开电烙铁后，被焊处一点焊锡不留或留下很少，则说明加热时间太短、温度不够或被焊物太脏；若移开电烙铁前，焊锡就往下流，则表明加热时间太长，温度过高。 （3）上锡适量 根据所需焊点的大小来决定烙铁蘸取的锡量，使焊锡足够包裹住被焊物，形成一个大小合适且圆滑的焊点。若一次上锡不够，可再补上，但须待前次上的锡一同被熔化后再移开电烙铁。 （4）选用合适的助焊剂 助焊剂的作用是提高焊料的流动性，防止焊接面氧化，起到助焊和保护作用。焊接电子元器件时，应尽量避免使用焊锡膏。比较好的助焊剂

26、是松香酒精溶液，焊接时，在被焊处滴上一点即可。第6章 Protel99 基础教程 建立.ddb文件库 定义.ddb文件 元件库绘制选项 PCB封装绘制 第七章 设计总结与体会 通过本次的课程设计，我充分的了解的到了以下几点：1、我们仅仅满足于课堂上学习的内容是完全不够的，我们需要去更多的更主动的去学习课外的一些知识，与查询课外书籍才能够将学到的知识充分的运用起来。2、单纯的学习是一回事，应用又是另一回事，设计一个电路远远比我想象中要困难的多。通过查阅各种资料，同时参考其他的设计与询问相关信息。我才设计出了上述电路。3、我的设计在元件的参数选择上还存在着很多明显的不足，主要是由于我本身带的能力所

27、限，不能做到尽善尽美。4.通过此次实习我掌握了一些画图的技巧，认真的按照老师对于Protel 99se软件的介绍来画原理图，同时也提高了自己的画图速度，在画图的过程中，也不可避免有了一些麻烦，如设计元器件时新建文件类型错误，或忘了备份，造成画元件时会把画好的元件覆盖，但发现这些问题，进行纠正，正是我们提高的源泉，我会继续努力，加强这方面的学习。通过此次的的课程设计，我可以明确的感觉到了自己的提升与进步。最后感谢指导老师在我制作过程中孜孜不倦的各种帮助。 参考文献1 陈明义等.电子技术课程设计实用教程.第3版.长沙.中南大学出版社.2009年2 郁有文等.传感器原理及工程应用M.西安.电子科技大学出版社.2008年.3 陈有卿.实用555时基电路300例M.北京.中国电力出版社.2005年4 赵熹华.焊接方法与机电一体化.机械工业出版社.2003年（电子版）5 李卫兵.555定时器电路的等效分析与Pspice仿真J.滨州学院学报.2004年04期（pdf）附录一：超声波防盗报警器总设计图附录二：收音机电路图及PCB版设计图