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超聲波報警器的設計與制作
Ultrasonic alarm

時間:2012-5-10 20:55:45 來源:互聯網 作者:不詳 編輯: 【關閉


超聲波報警器的設計與制作,Ultrasonic alarm

關鍵字:超聲波電路圖

作者:汪仁里
此款超聲波報警電路能精確測量入侵物的距離。因為聲波傳輸速度每秒340m,光波傳輸每秒3×l0(5)km,從發射到1m外的物體反射到接收,聲波經過時間約5.9ms,用周期l00ns電脈沖來計數,含有59000個脈沖。同樣距離光只需6.6ns。
  比一個TTL門電路的傳播延遲要15ns小一半?梢娪寐暅y短距離比光容易。
  主要元器件:發射器部分主要有集成電路74HC04、74HC00各一塊,超聲發射傳感器MA40S2S一個。接收器部分主要有集成電路TL084、74HC74各一塊,超聲接收傳感器MA40S2R一個。兩部分合裝在一塊印制板上。超聲傳感器的結構如下圖,就像一個縮小的壓電陶瓷片,尺寸小了,諧振頻率就高了。頻率高到20kHz以上,人耳就聽不見了,這就是超聲。市售的超聲傳感器常常用在38—40kHz。為了加強收發能力,在陶瓷片前加一個喇叭狀共振振子,原理就像喊話的喇叭筒一樣。圖示是市售常見的開放型的,在喇叭振子前有一個開孔的外罩。因為孔的尺寸遠遠小于超聲波波長,外罩對聲波的阻擋作用很小。還有一種防滴漏型超聲傳感器,外殼密封,陶瓷片按裝在外殼內側。后者的效率不如前者。超聲傳感器的阻抗是電容型的,電容量約1600pF,單用一個CMOS門驅動力不足,一般用2-3個門并聯驅動。
超聲波報警器的設計與制作Ultrasonic alarm
  工作原理:如上圖和下圖所示。發射頭發出一束40kHz的超聲波,其持續時間T1小于1ms而間隔時間達幾十毫秒。如果在1m內有人存在,人體吸收了一部分波,反射了一部分波,發射波到達接收頭要延遲兩個l/340s約5.9ms。和發射同步產生一個“一米限制脈沖”,其脈沖寬度為T2=T1+5.9ms,在T2為高期間,有回波,說明人在1m線內,過了T2高電平期間,即使有回波,就是人在1m以外,不能啟動報警。D觸發器正好有這個功能,將“一米限制脈沖”作為D輸入,“回波”作為CP,CP上升期間D輸入送到Q。圖中回波信號1使Q=l,回波信號2使Q=0。
  發送器電路分析如下圖所示。U1為6反相器74HC04,UU,U1_2構成CMOS多諧振蕩器,為了做到輸出不對稱,b點低電平使的充電回路和b點高電平使的放電回路有差別,a高b低,經過D1,W1,C1充電快。a低b高,經過R2,W1,C1放電慢。a點波形符合“一米限制脈沖”。調整W1,使其正脈寬為6.6ms左右。
  當b點正沖超過VCC+0.7V或負沖低于-0.7V,CMOS輸入寄生二極管有電流且鉗制電壓0.7V,加快充放電時間,見下圖右上角國內輸入等效圖。電源電壓越高,正負沖越大,電源電壓波動會影響振蕩頻率,串入R1,輸入寄生二極管的電流大大減小,減少了電源電壓對頻率的影響。
  從a點的波形中取出前0.7ms成為波形e。第一步,a反相得c,第二步,C3,R3組成微分電路。C3把c的上升,下降的突變傳輸到U1_3的第5腳。R3已將5腳拉高。上升突變對U1_3不起作用,下降突變5腳變低使U1_3反轉,VCC通過R3對C3充電,經過約0.693×R3×C3時間回到5腳高。見下圖中波形d。第三步,d反相整形得e:低電平多,高電平是窄脈沖。
超聲波報警器電路圖Ultrasonic alarm
  40kHz振蕩器;U1_6,U1-5構成CMOS多諧振蕩器,W7調整頻率到40kHz。R4的作用是減少電源電壓波動影響,C1,C4不能用溫度系數大的CT型瓷介電容,最好用CB型聚苯乙烯電容。為什么不能用信號e控制40kHz脈沖振蕩器,而要先做連續振蕩,然后再通過U2調制?因為CMOS多諧振蕩器起振階段不穩定,而信號e只有0.7ms很窄?偣28個脈沖。還沒有穩定就叫停了。波形很不好。
超聲波報警器的電路圖Ultrasonic alarm
  超聲驅動級。根據參數,超聲發送頭最大驅動電壓可加20多伏,在SV系統為了提高輸出功率的方案為:
  1.晶體管驅動,用輸出變壓器升壓方案;2.CMOS門電路雙相驅動。如果一個驅動門單端輸出到超聲頭,最大的峰-峰值是Vcc,用輸入信號相位相反的兩個門雙相驅動超聲頭,一會兒是j高k低,一會兒是j低k高,等效峰-峰值是2×Vcc。電壓升2倍,輸出功率提高4倍。本設計用方案2。U2有4個門,兩兩并聯。當信號e為0,4個門統統輸出1,Z1兩端電位相同,起阻尼作用,制止Z1因慣性的振蕩輸出。信號e為1,U2上兩門和下兩門的輸入信號是相反的,輸出j,k。見下圖右側圈內的波形。
接收器電路分析:接收頭信號峰-峰值約10mV,設計放大150倍,放大器末級輸出峰-峰值l.5V,R18/R19+W3分壓的直流電平為:1.25~2.4V,啟動D觸發器CP電平是2.5V,所以所需的附加交流脈沖信號的峰-峰值為1.5~0.lV(最不靈敏到最靈敏),調節范圍很寬。W3不能調到太靈敏。靈敏度太高,多次反射的回波或雜波輸入引起誤動作。
  因為做在一塊板上,通過電路板,發射頭Z1的振動會傳到接收頭22,而且信號很大。晶體管VT1在發射周期脈沖為1時導通,短路22.信號過不來。R20/R21分壓1NCC,輸入到AL3的10腳,AL3的8、9腳短接形成跟隨器,輸出低內阻的中心電壓vs。這種辦法比用2個1K電阻分壓得VS好得多。C19起高頻旁路作用。L1起電源退耦作用,A1:TL084的第4腳,U3:74HC74的14腳接到Vccr端。U3的不用輸入端一律也接Vccr端。
  5倍增益選頻放大器。選用TL084,其引線與324相同,增益帶寬積是324的3倍!15V電源時為3MHz.單5V時超過500kHz。40kHz最大增益12.5倍,現在做5~6倍沒有問題。大家知道:反饋電阻RF.反相端輸入電阻RI,如果信號從同相端輸入,運算放大器的放大倍數為K=1+RF/RI;反相端輸入,K:-RF/RI.上圖中,反饋阻抗為并聯的213、215、217,輸入阻抗為串聯的212、214、216,ωc=R時,213=5x212,215=5×214,216=5×217,K分別為6,-5,-5。如何計算阻抗除阻抗,可以用復數的阻抗運算,以第一級為例,用矢量圖解法非常直觀,見下圖。
超聲波報警器的設計與制作Ultrasonic alarm    超聲波報警器的設計與制作Ultrasonic alarm
  當ωc=R時,OAB是一個等腰三角形,串聯阻抗是對角線,并聯阻抗是中高。直觀看出,串聯阻抗=2×并聯阻抗,如①所示。
  頻率升高,當ωc2×中高。串聯阻抗>2x并聯阻抗,如②所示。
  頻率降低,當ωc>R時,OAB是一個斜三角形,對角線>2×中高。串聯阻抗>2×并聯阻抗,如③所示。
  R13、C13并聯,當ωc=R,等效R13/2、C13/2串聯。
  參考①的虛線。由此得出:213=5×212,放大倍數為K=1+213/212=6。
  當頻率升高,由②看出,并聯阻抗213小于1/2x(R13-jωC13),213/212小于5,定性看,C13阻抗減小反饋作用增大,增益減小。當頻率降低,由③看出,并聯阻抗213小于1/2×(R13-j(I)C13),213/212小于5,定性看串聯的C12阻抗增大,反饋增大,增益減小。
  由于回路的Q很低,電阻電容的誤差在5%內,對接收器增益影響不明顯。比起高Q的帶通濾波器來說,這個電路制作調試比較容易。
  1m距離判斷電路。U3是一塊雙D觸發器,這里用其中1/2。R、S端接固定高電平,不起作用。當持續有一串回波信號加到U3的CP端時,從第一個到最后一個脈沖上升時間D的狀態都影響Q輸出,小于1m,D高,Q輸出恒高,剛剛超過1m,Q有零點幾毫秒的高長時間為低,以最后一個回波脈沖時D的狀態為持續電平。遠大于1m,Q輸出恒低。調整U3的3腳偏置直流電平,可以調整靈敏度。調節發射器的W1,改變信號a的正脈寬,可以調準到1m。
  安裝調整。布局主要注意把發射,接收分開。元件較少,布局布線不難實施。先不裝22。在調試前先按下圖做一個簡易毫伏計。接到數字電壓表的DC200mV檔(或2V檔)。數字表讀數就是交流信號有效值。測出U1、U2各腳都有輸出。
  將U13第5腳和地短路。即信號d短路地,信號e恒高。對ZI施加40kHz的連續波。將22口對口對準Z1,用毫伏計測接收頭的信號電壓。調整W2,使輸出電壓最大。
超聲波報警器的設計與制作Ultrasonic alarm
  安裝22到接收器輸入端。取消信號d短路。用一本雜志形成超聲反射。由近開始逐步加大距離,毫伏表測Al的各輸出端信號。1米處A1_4的14腳有35mV,就是l00mV峰-峰值了?紤]到自制毫伏表的損耗。讀數會偏小一點。
  在U3的第5腳接一個LED,串1K電阻接地。調W3,使靈敏度較高,然后,調W2,校準l米內雜志反射超聲使LED亮,過1m分別調W3,W2,使LED不亮。本警報器就調成了。


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