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文檔簡介
1、<p><b> 目錄</b></p><p> 1 課程設(shè)計任務(wù)書2</p><p> 2 設(shè)計思路及電路原理圖4</p><p> 2.1 555振蕩電路驅(qū)動超聲波傳感器4</p><p> 2.2 用LM393制作接收電路4</p><p> 2.3
2、用LM2907N進行信號處理5</p><p> 3 元件列表及主要元件介紹8</p><p> 3.1 元件列表8</p><p> 3.2 主要元件介紹8</p><p> 3.2.1 超聲波原理8</p><p> 3.2.2 NE555元件介紹9</p><p
3、> 3.2.3 LM393元件介紹10</p><p> 3.2.4 LM2907N元件介紹11</p><p> 4 電路調(diào)試13</p><p> 4.1 調(diào)試結(jié)果13</p><p> 4.1.1 沒有檢測到物體時發(fā)光二極管點亮13</p><p> 4.1.2 檢測到物體
4、時發(fā)光二極管熄滅13</p><p> 4.2 電壓波形14</p><p><b> 5 體會16</b></p><p> 6 參考文獻17</p><p> 1 課程設(shè)計任務(wù)書</p><p> 《傳感器原理與檢測技術(shù)》課程設(shè)計任務(wù)書</p><
5、p> 題目:物體檢測電路的制作</p><p><b> 一、課程設(shè)計任務(wù)</b></p><p> 超聲波傳感器是利用超聲波作為信息傳遞媒介的傳感器,本課題是利用超聲波傳感器來檢測物體的存在。電路由三部分組成:以555振蕩電路作為超聲波傳感器的驅(qū)動電路,以LM393芯片作為超聲波傳感器的接受電路,以LM2907N芯片把傳感器接受到的頻率信號轉(zhuǎn)化成電壓信號
6、并是發(fā)光二極管發(fā)光。</p><p><b> 二、課程設(shè)計目的</b></p><p> 通過本次課程設(shè)計使學(xué)生掌握:1)了解超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理;2)利用超聲波傳感器監(jiān)測物體的存在;3)掌握電子電路實際調(diào)試技巧。從而提高學(xué)生系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試能力。</p><p><b> 三、課程設(shè)計要求</b><
7、/p><p> 1、當(dāng)有物體存在時,發(fā)光二極管熄滅;</p><p> 2、當(dāng)沒有物體存在時,發(fā)光二極管發(fā)光。</p><p><b> 四、課程設(shè)計內(nèi)容</b></p><p> 1、發(fā)射電路、接受電路、轉(zhuǎn)化電路的設(shè)計;</p><p><b> 2、電路的調(diào)試;</b&g
8、t;</p><p> 3、電路原理圖中元件清單。</p><p> 五、課程設(shè)計報告要求</p><p> 報告中提供如下內(nèi)容:</p><p><b> 1、目錄</b></p><p><b> 2、正文</b></p><p> ?。?/p>
9、1)課程設(shè)計任務(wù)書;</p><p> ?。?)總體設(shè)計方案;</p><p> (3)原理圖(可手畫也可用protel軟件);</p><p> ?。?)調(diào)試、運行及其結(jié)果;</p><p><b> 3、收獲、體會</b></p><p><b> 4、參考文獻</b&g
10、t;</p><p> 六、課程設(shè)計進度安排</p><p> 七、課程設(shè)計考核辦法</p><p> 本課程設(shè)計滿分為100分,從課程設(shè)計平時表現(xiàn)、課程設(shè)計報告及課程設(shè)計答辯三個方面進行評分,其所占比例分別為20%、40%、40%。</p><p> 2 設(shè)計思路及電路原理圖</p><p> 設(shè)計時采用
11、直接型檢測方式物體,將發(fā)射器與接收器相向配置,當(dāng)能夠直接接收到對面發(fā)射來的超聲波時,或者說接收器有信號電壓輸出時,就表示沒有物體在阻擋超聲波的傳輸。反過來,當(dāng)沒有信號電壓輸出時,就有物體擋住了超聲波的傳輸。</p><p> 電路由三部分組成:以555振蕩電路作為超聲波傳感器的驅(qū)動電路,以LM393芯片作為超聲波傳感器的接收電路,以LM2907N芯片把傳感器接受到的頻率信號轉(zhuǎn)化成電壓信號并是發(fā)光二極管發(fā)光。設(shè)計
12、電路見圖電路原理圖。</p><p> 2.1 555振蕩電路驅(qū)動超聲波傳感器</p><p> 如圖,發(fā)射用超聲波傳感器的驅(qū)動電路是使用時基電路555的他激型震蕩驅(qū)動電路,555振蕩電路在他激型驅(qū)動電路中,具有可以自由選擇振蕩頻率的優(yōu)點,但會帶來了頻率不夠穩(wěn)定的缺點??梢詫㈩l率預(yù)設(shè)為40KHZ,然后用頻率調(diào)整電位計將接收用超聲波傳感器的輸出電壓調(diào)整到最大。</p>&
13、lt;p><b> 圖 555振蕩電路</b></p><p> 2.2 用LM393制作接收電路</p><p> 使用比較放大器LM393進行放大。比較器和運算器一樣不進行相位補償,因此也可以像運算放大器那樣告訴運行。但是,如果把它作為放大器使用,就容易產(chǎn)生自激振蕩。另外,為了避免噪聲,可以通過正反饋的方式給它一個很小的滯后電壓,</p>
14、<p> 圖 LM393比較放大電路圖</p><p> 2.3 用LM2907N進行信號處理</p><p> LM393的輸出端接在了轉(zhuǎn)速計用的集成電路LM2907N上。由于在LM2907N的內(nèi)部有F-V(頻率-電壓)轉(zhuǎn)換電路和比較電路,所以就變成了頻率輸入。這么一來,LM393的矩形波輸出就變得非常方便了。</p><p> 在LM39
15、3的輸出電路為低電平時,LM2907N的輸入就不足。這時,在LM2907N的弟11號引腳VIN-上就只有約為0.6V的二極管正向電壓的壓降作為偏置電壓,這正好與LM393的電壓振幅相吻合。</p><p> LM2907N的F-V轉(zhuǎn)換電壓VOUT為:</p><p> VOUT=Vcc Fin C4 R1</p><p> 該電壓與集成電路LM2907N內(nèi)部的
16、電壓比較器進行比較后輸出。</p><p><b> 設(shè)計電路圖如下:</b></p><p> 當(dāng)Fin=49KHZ時,輸出滿刻度電壓(12V)。那么,如果在比較器的第10腳OP-輸入比較電壓Vcc/2=6V,在20KHZ以上時,比較器就會導(dǎo)通,發(fā)光二極管發(fā)光。也就是說,通常,在沒有物體遮擋超聲波的情況下,接收用的超聲波傳感器MA40A3R中就會有40KHZ的頻
17、率輸入。</p><p> 在物體遮擋發(fā)光二極管的情況下,接收用的超聲波傳感器MA40A3R中就沒有信號的輸入,LM2907N內(nèi)部的電壓比較器電路就會切斷,發(fā)光二極管也就不會發(fā)光。</p><p> 如果希望發(fā)光二極管的指示顛倒過來,也就是希望檢測到物體時發(fā)光,而在正常狀況下,即沒有檢測到東西時,發(fā)光二極管不發(fā)光,那么可以將比較器輸入端的正負調(diào)換過來(OP-與OP+調(diào)換過來)</
18、p><p> 圖 LM2907N工作電路圖</p><p> 綜合以上分析,總電路設(shè)計原理圖如下:</p><p> C3為濾波電容器,F(xiàn)in>=1/2RC4時,發(fā)光二極管發(fā)光,F(xiàn)in=20KHZ時,RC4=25uf。如果,C4=500PF,R=51K</p><p> D2向Vin提供0.6V的偏壓</p><
19、p><b> 電路原理圖</b></p><p> 3 元件列表及主要元件介紹</p><p><b> 3.1 元件列表</b></p><p> 3.2 主要元件介紹</p><p> 3.2.1 超聲波原理</p><p><b>
20、圖 超聲波傳感器</b></p><p> 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩,有兩種形式:橫向振蕩(橫波)及縱和振蕩(縱波)。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播,其傳播速度不同。另外,它也有折射和反射現(xiàn)象,并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波,其頻率較低,一般為幾十KHZ,而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快,而在液體及固體中傳播,衰減較小,傳播
21、較遠。利用超聲波的特性,可做成各種超聲傳感器,配上不同的電路,制成各種超聲測量儀器及裝置,并在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。</p><p> 超聲波應(yīng)用有三種基本類型,透射型用于遙控器,防盜報警器、自動門、接近開關(guān)等;分離式反射型用于測距、液位或料位傳感器;反射型用于材料探傷、測厚傳感器等。</p><p> 超聲波傳感器的基本原理</p><p> 超聲波傳感器主
22、要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛(PZT)等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?,它可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能轉(zhuǎn)變成電能,所以它可以分成發(fā)送器或接收器。超聲波傳感器包括三個部分:超聲換能器、處理單元和輸出級。</p><p> 首先處理單元對超聲換能器加以電壓激勵,其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波,接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受
23、狀態(tài)(相當(dāng)于一個麥克風(fēng)),處理單元對接收到的超聲波脈沖進行分析,判斷收到的信號是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是,就測量超聲波的行程時間,根據(jù)測量的時間換算為行程,除以2,即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置,對準被測物變化方向發(fā)射超聲波,就可測量物體表面與傳感器的距離。</p><p> 3.2.2 NE555元件介紹</p><p><b> 圖 5
24、55引腳圖</b></p><p> NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號,555系列IC的接腳功能及運用都是相容的,只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同;而555是一個用途很廣且相當(dāng)普遍的計時IC,只需少數(shù)的電阻和電容,便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈波訊號。</p><p> a.NE555的特點有:</p&g
25、t;<p> (1)只需簡單的電阻器、電容器,即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣,可由幾微秒至幾小時之久。</p><p> (2)它的操作電源范圍極大,可與TTL,CMOS等邏輯閘配合,也就是它的輸出準位及輸入觸發(fā)準位,均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。</p><p> ?。?)其輸出端的供給電流大,可直接推動多種自動控制的負載。</p><
26、;p> ?。?)它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳,且價格便宜。</p><p> b.NE555引腳位配置說明如下:</p><p><b> NE555接腳圖:</b></p><p><b> 圖555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</b></p><p> NE555的作用范圍很廣,但一般多應(yīng)用于單穩(wěn)
27、態(tài)多諧振蕩器(Monostable Mutlivibrator)及無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(Astable Multivibrator)。</p><p> 3.2.3 LM393元件介紹</p><p> 圖 LM393元件外觀</p><p> LM393 是雙電壓比較器集成電路。</p><p><b> 該電路的特點如下
28、:</b></p><p> 工作電源電壓范圍寬,單電源、雙電源均可工作,單電源:2~36V,雙電源:±1~±18V;消耗電流小,Icc=0.8mA;輸入失調(diào)電壓小,VIO=±2mV;共模輸入電壓范圍寬,Vic=0~Vcc-1.5V;輸出與TTL,DTL,MOS,CMOS 等兼容;輸出可以用開路集電極連接“或”門;</p><p> 采用雙列直
29、插8 腳塑料封裝(DIP8)和微形的雙列8 腳塑料封裝(SOP8)</p><p> 圖 LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p> LM393引腳功能排列表:</p><p> LM393主要參數(shù)表:</p><p> 電特性(除非特別說明,VCC=5.0V, amb=25℃)</p><p> 3.2.4
30、LM2907N元件介紹</p><p> 在測量轉(zhuǎn)速(頻率)時,目前多采用數(shù)字電路,但有些場合則需要轉(zhuǎn)速(頻率)的變化與模擬信號輸出相對應(yīng),這樣便可在自動控制系統(tǒng)實驗中用頻/壓轉(zhuǎn)換器件代替測速發(fā)電機,從而使實驗設(shè)備簡化。美國國家半導(dǎo)體公司推出的速度(頻率)/電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2907/LM2917只需接少量的外圍元件即可構(gòu)成模擬式轉(zhuǎn)速表,可用于測量電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)汽車超速報警等。</p><p&
31、gt; 圖 LM2907N元件外觀</p><p> LM2907為集成式頻率/電壓轉(zhuǎn)換器,芯片中包含了比較器、充電泵、高增益運算放大器,能將頻率信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。</p><p> 圖LM2907N內(nèi)部引腳圖</p><p> LM2907的主要電性能參數(shù)如表1所列: 表1 LM2907的主要電性能參數(shù)(Vcc=12VDC,TA=25)
32、</p><p><b> 4 電路調(diào)試</b></p><p><b> 4.1 調(diào)試結(jié)果</b></p><p> 4.1.1 沒有檢測到物體時發(fā)光二極管點亮</p><p> 4.1.2 檢測到物體時發(fā)光二極管熄滅</p><p><b>
33、4.2 電壓波形</b></p><p> 1.NE555定時器3號引腳的輸出波形</p><p> 555震蕩電路輸出的是頻率為39.87KHz,平均電壓為6.19V的方波??梢钥闯鲱l率在40KHZ左右。</p><p> 2.超聲波傳感器發(fā)射端的波形</p><p> 超聲波的輸入信號是頻率為39.88KHz、平均電
34、壓為趨近于0(13.9mv)的方波。平均電壓會變?yōu)?是因為555振蕩器的輸出信號經(jīng)過了一個0.1u的電容,由于電容充放電的平衡使得平均電壓變?yōu)榱?,這個信號正好可以作為超聲波傳感器的輸入信號。</p><p> 3.當(dāng)沒有物體遮擋時,超聲波傳感器接收端的波形</p><p> 超聲波傳感器接收器輸出信號是頻率為40.19KHz的正弦波。這是因為超聲波傳感器接收器由于接收到超聲波后,里面
35、的壓力傳感器由于壓電效應(yīng)——即在壓電元件上施加壓力,使壓電元件發(fā)生應(yīng)變,則產(chǎn)生一面為“+ ”極,另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。該正弦波的的最大電壓大約是4.64V,最小電壓大約是2.56V。所以電壓小于3.60V的部分經(jīng)過LM393以后就輸出了低電平,接近0V,電壓大于等于3.60的部分經(jīng)過LM393以后就會輸出高電平約為12V。</p><p> 4.當(dāng)沒有物體遮擋時,LM393輸出端的波形</
36、p><p> LM393芯片的輸出波形是頻率為39.91KHz平均電壓為3.90V的矩形波,該矩形波的最大電壓為11.2V,最小電壓接近0V,就是應(yīng)為LM393的反向端是3.90V的恒定電壓,而比較放大器正向端的正弦信號,使得正弦信號電壓小于3.90V的部分經(jīng)過LM393以后就輸出了低電平,接近0V,電壓大于等于3.90的部分經(jīng)過LM393以后就會輸出高電平約為12V,再有VR2產(chǎn)生的電壓滯后,就形成了如圖的矩形波
37、。該信號就可以作為LM2907芯片的輸入頻率信號。</p><p> LM2907N的F-V(頻率-電壓)轉(zhuǎn)換電壓Vout為:Vout=VccFinC4R1,該電壓與集成電路LM2907N內(nèi)部的電壓比較器進行比較后輸出。當(dāng)Fin=40KHZ時,輸出滿刻度電壓(12V)。由于在比較器的第10號腳OP-輸入比較電壓Vcc/2=6V,在20KHZ以上時,比較器就會導(dǎo)通,發(fā)光二極管就會發(fā)光。</p>&l
38、t;p> 5. 當(dāng)有物體遮擋時,超聲波傳感器接收端的波形</p><p> 在物體遮擋住超聲波的情況下,接收用的超聲波傳感器MA40A3R中就沒有信號輸入。這時LM393的正向端輸入信號不再是正弦波,而是與反向端相等的恒定3.87V的電壓如上圖所示。</p><p> 6. 當(dāng)沒有物體遮擋時,LM393輸出端的波形</p><p> LM393的輸出端
39、不會再有低電平的輸出,只有約為+12V的高電平輸出。如圖所示,這樣LM2907N內(nèi)部的電壓比較器電路就會切斷,發(fā)光二極管也不會發(fā)光。</p><p><b> 5 體會</b></p><p> 在過去的一周中,我們進行了傳感器與檢測技術(shù)的課程設(shè)計,課程設(shè)計的內(nèi)容是物體檢測電路的制作。電路由三部分組成:以555振蕩電路作為超聲波傳感器的驅(qū)動電路,以LM393芯片
40、作為超聲波傳感器的接受電路,以LM2907N芯片把傳感器接受到的頻率信號轉(zhuǎn)化成電壓信號并是發(fā)光二極管發(fā)光。利用超聲波傳感器來檢測物體的存在。</p><p> 同樣在這次傳感器的課程設(shè)計中我同樣學(xué)習(xí)到了我之前所不了解的很多知識,并且鍛煉了自己的動手操作能力和提高了查找資料的水平!使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多,以前老是覺得自己什么東西都會,什么東西都懂,有點眼高手低。通過這次課程設(shè)計,
41、我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程,在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí),努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。同時我們電子設(shè)計有了進一步地了解,提高了對電子設(shè)計的興趣,增強了大家團隊的協(xié)作能力,深化了理論知識,鍛煉了自己動手能力,學(xué)到了很多解決實際問題的方法。</p><p> 同時,一周的實訓(xùn)使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的,只有理論知識是遠遠不夠的,只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來,從理論中得出結(jié)論,才能真正
42、為社會服務(wù),從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設(shè)計的過程中遇到問題,可以說得是困難重重,這畢竟第一次做的,難免會遇到過各種各樣的問題,同時在設(shè)計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處,對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻,掌握得不夠牢固。并且在這次課程設(shè)計中我還有一個更大的體會那就是“團隊很重要”,之前幾次課程設(shè)計中我們都是一對一的進行設(shè)計和操作,即各干各的,雖然那樣用助于培養(yǎng)我們自己的獨立思考能力,但是我們要知道以后我們面臨的困難都不會
43、是只憑我們一人之力所能夠解決的,此時我們就必須有人能在我們面對困境找不到頭緒時給我們指導(dǎo)和幫助,所謂術(shù)業(yè)有專攻,并充分利用他們的專長來共同完成一項非一人能夠完成的項目。</p><p><b> 6 參考文獻</b></p><p> [1]陳勇.高可靠紅外線傳感器控制開關(guān)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2004 (5)</p><p> [
44、2]魏丑君等.CMOS 4000系列60種常用集成電路的應(yīng)用[M].人民郵電出版社,1995</p><p> [3]肖景和.數(shù)子集成電路應(yīng)用精粹[M].人民郵電出版社,2002</p><p> [4]羅四維.傳感器應(yīng)用電路詳解[M].人民郵電出版社,1993</p><p> [5]吳桂秀.傳感器應(yīng)用制作入門[M].浙江科學(xué)技術(shù)出版社,2004</p
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