传感器-物体检测电路的制作

1、目录1 课程设计任务书 12 设计思路及电路原理图 52.1 555 振荡电路驱动超声波传感器52.2 用 LM393 制作接收电路 52.3 用 LM2907N 进行信号处理 63 元件列表及主要元件介绍 113.1 元件列表 113.2 主要元件介绍 113.2.1 超声波原理113.2.2 NE555 元件介绍 123.2.3 LM393 元件介绍 133.2.4 LM2907N 元件介绍 154 电路调试 184.1 调试结果 184.1.1 没有检测到物体时发光二极管点亮 184.1.2 检测到物体时发光二极管熄灭184 2 电压波形 195 体会 236 参考文献 251课程设计任

2、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

3、、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

4、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%。精品资料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

5、理图。2.1 555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。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，2.3 用LM2907N进行信号

6、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=Vcc Fin C4 R1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

7、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LM29

8、07N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=51KD2 向 Vin 提供 0.6V 的偏压;5工一导 r 上IE1朝4.1田世 户iZ 星MJXU U 包 w t=6? 己吕VIK 点 Enz- 置 5 空相言鄢器置世滤波电 容器=一召办D电路原理图精品资料3.2.1 超声波原理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A1LM393超声波传感器MA40A3S/RMA40A3S 发射,MA40A3R 接收时基电路IC1NE555专用

9、集成电路专用集成电路IC2LM2907N5.1V雪崩二极管二极管D1D205Z5.11S1588发光二极管LED1TLR143红色电容器C1-C3,C5-C610%,50 V10%,50 V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。超声波可以在精品资料气体、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K

10、HZ,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）及锲铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有培钛酸铅（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

11、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3.2.2 NE555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，55

12、5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。具延时范围极广，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

13、引脚位配置说明如下：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(Monostable Mutlivibrator )及无 稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。图LM393内部结构图3.2.3 LM393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：236V,双电源：118V;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=0Vcc-1.5V ;输出与TTL, DTL , MOS , CMOS等兼容；输出可

14、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）LM393引脚功能排列表:引出端序号15263748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OUT11N+(2)1N-(1)1N-(2)1N+(1)OUT2GNDVCCLM393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VCCVIDVIPdToprTstg数值由 8 或 36场6-0.3 VCC5700 to +70-65 to 150单位VVVmWCC电特性（除非特别说明，VCC=5.0V , amb=25 C）3.2

15、.4 LM2907N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。(C)tc/er icvr. Com3BER0H5 0才归a00 FWD 仍0。I/Nmc CBvri口设 ?口口县白耳fF.3SWf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

16、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 )多数MinTypMucUnits转速讨蛹入门限102540磁滞30mV偏移电压LM2907/LM291TIJfl29a7/LM291T-83 55to15mV ir,V输入基睢电流a. i1pA70Ka. 3VTOL2. 3V物出电流140iso240J1A扁电牖0. 1jiA噌益参数0 9i o1 1线性度-10a.3+k0%OF/AMF比较器vos310rtiAs50500ElA共模输入电压0Vcc-l.SV

17、V电压增益200V/mV输出灌电流4。50iTiA输出源电流10mA饱和电压0. 1OSV10V1. 01.5V4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1.NE555定时器3号引脚的输出波形lek 几 0 iiig dm pg o.ooojCHI &KWM 10.0 jus9- Jul11 1M12.超声波传感器发射端的波形M la.Dus9-Jul-11 10:43MEASURE领率CH1之口通MEASURE峰超值1346 VCHI 频率 3337 kHz -CH1hm a * jj， 士，.卜十一-，J 厂人刁IS.613 VC

18、H1最天值13.0 V555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。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E3 TribdM Pos: 0.0005,nn m mu 川 5 9-Jul-ll 10.44E346小频D.13kHzMEASURE CHI 屿-ill菜信 *oov超声波传感器

19、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一一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-”极白第0KHz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12V4.当没有物体遮挡时，LM393输出端的波形 TrigMM Pos: 0.000sMEASURE33J1kHz33.31M 1 口.鼠5 3-Jul-ll 10:

20、52HI 峰值均值CHI最大值11.0VLM393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

21、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Jek 几 回 AutoM Pos: 0.000s MEASURE._2QmV_E . ;三.；. . CH1汗w J 6.250kHz?CHIi4 i*11!；;*; * * | 平值3156 VCHII： 最大值- j j,bo VCHIM 1O.Qm$ 9Jul-11 10:51在物体遮挡住超声波的情况下，接收用的超声波传感

22、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Jek 几 回 AuwM Pos: 0.000s MEASURE*峰-峰值_200mV_5.00 kHz Thi11.6VF . J二；三 一；一；j CH1M 10.0ms 9-Jul-11 10:26LM393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