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1、課 程 設(shè) 計(jì) 2012 年 6 月 25課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 超聲波防盜應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 院 系 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號 指導(dǎo)教師 任務(wù)書課程 傳感器課程設(shè)計(jì)題目 超聲波防盜應(yīng)用電路設(shè)計(jì)專業(yè) 姓名 學(xué)號 主要內(nèi)容：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)的進(jìn)步，人們對防盜報(bào)警系統(tǒng)越來越重視，采取了許多防盜報(bào)警措施來保護(hù)自身和公共財(cái)產(chǎn)的安全，由此多種防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。 本次課程設(shè)計(jì)，采用了超聲波技術(shù)，利用對超聲波傳感器的發(fā)射與接收，檢測其波形的變化來實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警的功能。超聲波防盜報(bào)警系統(tǒng)安全性極高，在重要需要防盜報(bào)警部位安裝一個(gè)防盜報(bào)警設(shè)備，一旦有人侵入，超聲波報(bào)警器即可輸出報(bào)警信號。 基本要求：
2、1、實(shí)用性每個(gè)防盜報(bào)警系統(tǒng)能在實(shí)際可能發(fā)生受侵害的情況下及時(shí)報(bào)警；2、可靠性防盜報(bào)警系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的報(bào)警結(jié)構(gòu)合理，防盜報(bào)警產(chǎn)品經(jīng)久耐用，防盜系統(tǒng)可靠。 主要參考資料：1 金友.造紙廠用激光超聲波傳感器J.北京：光機(jī)電信息,2005,(11).2 馬磊.基于 DSP 的超聲波檢測儀的設(shè)計(jì)D.燕山大學(xué),2010.3 盛春明.超聲波測距儀J.電子制作,2010,(05).4 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用M.電子科技大學(xué)出版社,2004.完成期限 2012.6.252012.6.29 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2012 年 6 月 25 日傳感器課程設(shè)計(jì)摘 要系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，用超聲波傳感器來檢測闖
3、入監(jiān)控范圍內(nèi)的物體而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。用戶使用時(shí)把此系統(tǒng)安裝在窗戶或門上，當(dāng)有人非法進(jìn)入房間時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)開始報(bào)警。研究了超聲波發(fā)射器發(fā)出信號的放大以及整流濾波的方法，設(shè)計(jì)實(shí)用電路并通過系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警功能。此技術(shù)的應(yīng)用大大降低了系統(tǒng)成本，具有較高的靈敏度和可維護(hù)性。最后提出了性能改進(jìn)方法，包括增大發(fā)射距離和降低干擾。從而實(shí)現(xiàn)可在許多環(huán)境中普遍實(shí)用的目標(biāo)。關(guān)鍵詞：超聲波；單片機(jī)；報(bào)警；防盜傳感器課程設(shè)計(jì)目 錄一、設(shè)計(jì)要求 .1二二、方案設(shè)計(jì) .11、方案說明 .12、方案論證 .3三、傳感器工作原理 .3四、電路的工作原理 .4五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 .41、單元電路設(shè)計(jì) .42、
4、參數(shù)計(jì)算 .73、器件選擇 .7六、總結(jié) .9傳感器課程設(shè)計(jì)1超聲波防盜應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求利用超聲波發(fā)射與接收來實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能。當(dāng)有物體進(jìn)入到報(bào)警范圍時(shí)，會(huì)把從發(fā)射出來的超聲波擋住，使接收端接收到的反射波時(shí)間減少，再通過放大電路，濾波電路等單元電路的處理和單片機(jī)將其接收到的時(shí)間與規(guī)定時(shí)間的比較，若與規(guī)定的時(shí)間不相等，則發(fā)出報(bào)警。在功能上必須實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高可靠性、控制圍較大和能夠及時(shí)報(bào)警?；诖朔N器件簡單實(shí)用、價(jià)錢低廉，目前已經(jīng)在廣大居民家中得到普遍運(yùn)用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相信超聲波傳感器還會(huì)有更大的發(fā)展。二、方案設(shè)計(jì)1、方案說明方案一利用超聲波測距原理，設(shè)計(jì)規(guī)定的測量距離，當(dāng)用物體
5、經(jīng)過超聲波傳感器時(shí)，勢必會(huì)遮擋超聲波傳感器，使其測得的距離小于規(guī)定的距離，此時(shí)超聲波傳感器便出發(fā)報(bào)警。原理框圖如下：方案二同樣菜用超聲波的發(fā)射與接收功能，將兩個(gè)超聲波發(fā)射裝置和接收裝置放于同一條線上，讓發(fā)射器發(fā)射一定頻率的波形，超聲波接收器接收來自超聲波發(fā)射單片機(jī)比較濾波檢波超聲波發(fā)射延時(shí)控制接收超聲波發(fā)射濾波檢波放大聲光報(bào)警驅(qū)動(dòng)圖 1 方案一原理圖傳感器課程設(shè)計(jì)2器波形，經(jīng)過信號放大電路以及帶通濾波電路后輸出，然后輸出到整流濾波器進(jìn)行整流濾波，得到的是一個(gè)高電平的模擬信號，將其信號輸入到控制器進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。當(dāng)沒有非法入侵時(shí)，報(bào)警電路不動(dòng)作，一旦有非法入侵時(shí)，由于障礙物擋住了超聲波，超聲
6、波接收器接收不到信號，整流濾波器輸出信號就會(huì)變?nèi)?，繼而觸發(fā)控制器啟動(dòng)報(bào)警裝置，從而達(dá)到報(bào)警的目的。總體設(shè)計(jì)如圖 2 所示。方案三利用超聲波移動(dòng)物體探測器原理。測器的基本原理是：發(fā)射器向被探測區(qū)域發(fā)射等幅超聲波，接收器接受發(fā)射回來的超聲波，在沒有移動(dòng)物體進(jìn)入被探測區(qū)域時(shí)，反射回來的超聲波是等幅的。當(dāng)有活動(dòng)的物體進(jìn)入探測區(qū)域時(shí)，反射回來的超聲波幅度不等，并且不斷變化，接受電路檢測到變化的信號控制電路做出反應(yīng)即驅(qū)動(dòng)報(bào)警。設(shè)計(jì)框圖如下： 信號放大帶通濾波電路報(bào)警裝置51 單片機(jī)超聲波發(fā)射器整流濾波電路超聲波接收器圖 2 方案三原理框圖傳感器課程設(shè)計(jì)3超聲波發(fā)射檢波濾波電平檢測驅(qū)動(dòng)延時(shí)控制放大聲光報(bào)警電
7、平比較方波發(fā)生器整形超聲波接收圖 3 方案三原理框圖2、方案論證通過對以上三個(gè)方案的比較，我們可以看出：方案一其電路簡單，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，容易操作，可以用作超聲波傳感器的實(shí)現(xiàn)，但其抗干擾能力差，靈敏度低，不能保證做到實(shí)時(shí)報(bào)警，故不應(yīng)該選用該方案。方案三雖然可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高抗干擾能力，也能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警，但其發(fā)射的等幅波形和接收的等幅不容易控制和形成，所以為了避免不必要的電路設(shè)計(jì)和誤差處理，方案三也不予選取。方案二由于選取兩個(gè)直接發(fā)出和接收超聲波，所以可以保證其靈敏度；同時(shí)其電路還采取了 A/D 轉(zhuǎn)換裝置，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，有利于電路抗干擾能力的提高。從總體來說，其電路結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，各單元電
8、路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)也比較簡單，故我們選取方案二做為我們的設(shè)計(jì)方案。三、傳感器工作原理根據(jù)方案二的理論，我們設(shè)計(jì)使控制器控制一個(gè)端口輸出33kHz 的方波，輸出到超聲波發(fā)射器，超聲波接收器接收來自超聲波發(fā)射器的33kHz 方波，經(jīng)過信號放大電路以及帶通濾波電路后輸出的是33kHz 的正弦波，然后輸出到整流濾波器進(jìn)行整流濾波，得到的是一個(gè)高電平的模擬信號，將其信號輸入到控制器進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，再送入51單片機(jī)處理，若有接收到正常波形，則電路保持穩(wěn)定工作，傳感器課程設(shè)計(jì)4若接收到的波形不是規(guī)定的波形，即有障礙物遮擋超聲波的接收，則51單片機(jī)控制電路啟動(dòng)報(bào)警電路。4、電路的工作原理如圖 4 為單片機(jī)的引腳圖，
9、由于總電路圖太大，系統(tǒng)各單元器件分開說明，在各單元器件的說明部分已經(jīng)詳細(xì)說明了連接方式，故在此予以省略，只給出單片機(jī)引腳圖與報(bào)警電路的接法。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)(1)超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路如圖5所示，由超聲波傳感器、74HC14反相器、電容組成。電容選用1F，反相器采用74HC14。1腳接8051F310單片機(jī)的P2.4管腳，接收P2.4端口輸出的33kHz方波。實(shí)際上是超聲波窄脈沖信號形成電路，接受控制器輸出的33kHz的方波。圖 4 單片機(jī)引腳圖傳感器課程設(shè)計(jì)5 (2)超聲波接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收電路如圖6所示。其中包括超聲波傳感器、AD620
10、以及電阻和電容，超聲波傳感器作為接收器。電路中采用的R3電阻為250歐姆，所得到的增益G = 200。電阻采用R1=R2=10k，電容采用C1=C2=1F。 (3)帶通濾波電路的設(shè)計(jì)考慮到濾波電路的性能對元件的誤差相當(dāng)靈敏，電路易選用穩(wěn)定而精密的電阻器和電容器。具體的帶通濾波電路的原理圖如圖7所示。經(jīng)帶通濾波電路后輸出正弦波，頻率也為33kHz。圖 5 超聲波發(fā)射電路圖 6 超聲波接收電路傳感器課程設(shè)計(jì)6(4)整流濾波電路的設(shè)計(jì)本電路的輸出的交流信號的頻率為33 kHz。電容上的電壓應(yīng)大于電容上可能輸出的最大電壓，并且為使濾波性能更好一些，波形更平滑一些我去電容更大一些，故取C4 = C =
11、10F，具體的電路原理圖如圖8所示。(5)延時(shí)報(bào)警電路在 P2.5 端口上接報(bào)警電路，使 D 在不停地一亮一滅，一亮一滅的時(shí)間間隔為 0.15s。用一個(gè)發(fā)光二極管代替蜂鳴器。當(dāng) P2.5 端口輸出高電平，即 P2.51 時(shí)，根據(jù)發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦钥芍?，這時(shí)發(fā)光二極管 D 熄滅；當(dāng) P2.5 端口輸出低電平，即 P2.50 時(shí)，發(fā)光二極管 D 亮；我們可以使用 SETBP2.5 指令使 P2.5 端口輸出高電平，使用 CLR P2.5 指令使 P2.5 端口輸出低電平。圖 9 為圖 7 帶通濾波電路圖 8 整流濾波電路 輸入輸出傳感器課程設(shè)計(jì)7所示電路圖。2、參數(shù)計(jì)算(1)脈沖發(fā)射程序設(shè)計(jì)輸
12、出一個(gè)33kHz 的方波，方波的周期用定時(shí)器T0 來確定，采用中斷的方式來實(shí)現(xiàn)，即在T0 中設(shè)置一個(gè)時(shí)間常數(shù)，使其每隔0.015ms 產(chǎn)生一次中斷，CPU響應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)程序中對輸出取非。T0 中斷入口地址為000BH。(2)延時(shí)報(bào)警程序的設(shè)計(jì)在P2.5端口上接報(bào)警電路，使D在不停地一亮一滅，一亮一滅的時(shí)間間隔為0.15s。用一個(gè)發(fā)光二極管代替蜂鳴器。當(dāng)P2.5 端口輸出高電平，即P2.51時(shí)，根據(jù)發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦钥芍?，這時(shí)發(fā)光二極管D熄滅；當(dāng)P2.5端口輸出低電平，即P2.50時(shí)，發(fā)光二極管D亮；我們可以使用SETBP2.5指令使P2.5端口輸出高電平，使用CLRP2.5指令使P
13、2.5端口輸出低電平。(3)A/D 轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)根據(jù)報(bào)警原理，整流濾波電路的輸出為模擬信號高電平，用萬用表測得電壓圖 9 延時(shí)報(bào)警電路傳感器課程設(shè)計(jì)8為1.2V，將整流濾波電路的輸出接至控制器的P1.2 輸入端，將開始正常時(shí)的模擬信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號后乘以50%，得到一個(gè)值，設(shè)此值為A。用軟件的方法實(shí)現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，讓控制器通過檢測數(shù)字信號來隨時(shí)監(jiān)控模擬信號的變化，采用單片機(jī)的10位A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬信號采集進(jìn)來，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并與A進(jìn)行比較，如果在運(yùn)行中采集的信號忽然低于A，則控制器啟動(dòng)報(bào)警程序，進(jìn)行報(bào)警。3、器件選擇(1)電阻元件的選擇：Rl、R2、R5、R7 選用 1/4
14、W 金屬膜電阻器或碳膜電阻器。R3 選用超小型合成碳膜電位器或可變電阻器；R6 和 R8 選用超小型有機(jī)實(shí)心電位器；R9、R10 選用可變電阻器。(2)電容元件的選擇：Cl、C2、C3 均選用耐壓值為 l6V 的鋁電解電容器；C4選用獨(dú)石電容器或滌綸電容器；C5 選用耐壓值為 10V 的鋁電解電容器。(3)分立元件的選擇： 二極管，實(shí)用硅半導(dǎo)體整流二極管 2CZ 型。(4)集成電路的選擇：蜂鳴器，可選用型號為 PS-MABZ14075DY4012P 的有源壓電式蜂鳴器（12VDC）。放大器，選用低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個(gè)外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1 至 10000 的 AD620
15、 放大器。反相器，選用可現(xiàn) 6 路施密特觸發(fā)，可將緩慢變化的輸入信號轉(zhuǎn)換成清晰、無抖動(dòng)的輸出信號的 74HC14 反相器。系統(tǒng)需要的元器件清單表 1 元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注8051單片機(jī)MSC80511可用其他U1A/U2A反相器74HC142可用其他R1/R2/R5/R7電阻10 k4R3電阻0.25k1R4電阻2.5k1R6電阻4.6k1R8電阻100k1R9電阻0.47k1R10電阻0.18k1傳感器課程設(shè)計(jì)9C1/C2/C3電容1F2C4電容10F1C5電容1000pF2U0放大器AD6201可用其他D0二極管DIODE1正向接入LS1/LS2蜂鳴器12VDC2可用
16、其他六、總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用超聲波傳感器發(fā)射與接收，再經(jīng)過整流電路、濾波電路、放大電路等單元處理電路對波形進(jìn)行處理來檢測是否超聲波被遮擋，若有說明在監(jiān)控范圍內(nèi)有物體進(jìn)入，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)報(bào)警器開始報(bào)警。通過對這次超聲波防盜報(bào)警裝置電路的設(shè)計(jì)，我感受頗多，總結(jié)起來大致有以下幾個(gè)方面在：首先，我學(xué)會(huì)了綜合運(yùn)用課堂之中所學(xué)的模擬電子和數(shù)字電子的理論知識獨(dú)立完成了一個(gè)設(shè)計(jì)。我們在平時(shí)的上課學(xué)習(xí)過程中，接觸到的大多是一些理論的東西，一直感覺很抽象，不知道怎樣與實(shí)際相聯(lián)系。而這次的課程設(shè)計(jì)正好給了我這樣一個(gè)機(jī)會(huì)，讓我學(xué)著將理論的東西與實(shí)踐結(jié)合起來。其次，通過查閱手冊和文獻(xiàn)資料，我開始學(xué)著獨(dú)立思考
17、核解決問題。在查閱的過程中，也學(xué)到了很多平時(shí)課堂上沒有涉及到的知識。而在設(shè)計(jì)的過程中，通過與同學(xué)的討論發(fā)現(xiàn)解決問題的方法是多種多樣的，每一種思維都有它的可取之處，都有值得自己學(xué)習(xí)的地方。在交流學(xué)習(xí)的過程中，不僅學(xué)到了很多有關(guān)芯片的知識，更是學(xué)到了各種各樣的思維方式，這不僅對我的課程設(shè)計(jì)大有幫助，甚至對我今后的學(xué)習(xí)和工作都有一定的幫助。再次，在設(shè)計(jì)的過程中我也學(xué)會(huì)了寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，為自己以后從事這方面的工作打下了基礎(chǔ)。次設(shè)計(jì)雖然達(dá)到了設(shè)計(jì)的基本要求，可仍然存在著不足，就是在元件參數(shù)的選擇上有些問題。傳感器課程設(shè)計(jì)10參考文獻(xiàn)1 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用M.電子科技大學(xué)出版社,2004.2
18、 金友.造紙廠用激光超聲波傳感器J.北京：光機(jī)電信息,2005,(11).3 沈晶巍,李超,于樹江.超聲波傳感器在開卷校平剪切線上的應(yīng)用J.設(shè)備管理與維修,2010,(01).4 馬磊.基于 DSP 的超聲波檢測儀的設(shè)計(jì)D.燕山大學(xué),2010.5 孫建華.基于超聲波傳感器在物料檢測中的應(yīng)用A.第二屆水泥物料計(jì)量與自動(dòng)給料技術(shù)交流會(huì)論文集C.2010.6 盛春明.超聲波測距儀J.電子制作,2010,(05). 傳感器課程設(shè)計(jì)11東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績評價(jià)表課程名稱傳感器課程設(shè)計(jì)題目名稱超聲波防盜應(yīng)用電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號指導(dǎo)教師姓名職稱序號評價(jià)項(xiàng)目指 標(biāo)滿分評分1工作量、工作態(tài)度和出勤率按期圓滿的完成了規(guī)定的任務(wù)，難易程度和工作量符合教學(xué)要求，工作努力，遵守紀(jì)律，出勤率高，工作作風(fēng)嚴(yán)謹(jǐn)，善于與他人合作。202課程設(shè)計(jì)質(zhì)量課程設(shè)計(jì)選題合理，計(jì)算過程簡練準(zhǔn)確，分析問題思路清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，文理通順，撰寫規(guī)范，圖表完備正確。453創(chuàng)新工作中有創(chuàng)新意識，對前人工作有一些改進(jìn)或有一定應(yīng)用價(jià)值。54答辯能正確回答指導(dǎo)教師所提出的問題。30總分評語：指導(dǎo)教師： 年 月 日
傳感器課程設(shè)計(jì)副本
