超声波报警器的设计与制作

超声波报警器的设计与制作,Ultrasonic alarm

作者：汪仁里 此款超声波报警电路能精确测量入侵物的距离。因为声波传输速度每秒340m，光波传输每秒3×l0(5)km，从发射到1m外的物体反射到接收，声波经过时间约5.9ms，用周期l00ns电脉冲来计数，含有59000个脉冲。同样距离光只需6.6ns。
　　比一个TTL门电路的传播延迟要15ns小一半。可见用声测短距离比光容易。
　　主要元器件：发射器部分主要有集成电路74HC04、74HC00各一块，超声发射传感器MA40S2S一个。接收器部分主要有集成电路TL084、74HC74各一块，超声接收传感器MA40S2R一个。两部分合装在一块印制板上。超声传感器的结构如下图，就像一个缩小的压电陶瓷片，尺寸小了，谐振频率就高了。频率高到20kHz以上，人耳就听不见了，这就是超声。市售的超声传感器常常用在38—40kHz。为了加强收发能力，在陶瓷片前加一个喇叭状共振振子，原理就像喊话的喇叭筒一样。图示是市售常见的开放型的，在喇叭振子前有一个开孔的外罩。因为孔的尺寸远远小于超声波波长，外罩对声波的阻挡作用很小。还有一种防滴漏型超声传感器，外壳密封，陶瓷片按装在外壳内侧。后者的效率不如前者。超声传感器的阻抗是电容型的，电容量约1600pF，单用一个CMOS门驱动力不足，一般用2-3个门并联驱动。 　　工作原理：如上图和下图所示。发射头发出一束40kHz的超声波，其持续时间T1小于1ms而间隔时间达几十毫秒。如果在1m内有人存在，人体吸收了一部分波，反射了一部分波，发射波到达接收头要延迟两个l/340s约5.9ms。和发射同步产生一个“一米限制脉冲”，其脉冲宽度为T2=T1+5.9ms，在T2为高期间，有回波，说明人在1m线内，过了T2高电平期间，即使有回波，就是人在1m以外，不能启动报警。D触发器正好有这个功能，将“一米限制脉冲”作为D输入，“回波”作为CP，CP上升期间D输入送到Q。图中回波信号1使Q=l，回波信号2使Q=0。 　　发送器电路分析如下图所示。U1为6反相器74HC04，UU，U1_2构成CMOS多谐振荡器，为了做到输出不对称，b点低电平使的充电回路和b点高电平使的放电回路有差别，a高b低，经过D1，W1，C1充电快。a低b高，经过R2，W1，C1放电慢。a点波形符合“一米限制脉冲”。调整W1，使其正脉宽为6.6ms左右。
　　当b点正冲超过VCC+0.7V或负冲低于-0.7V，CMOS输入寄生二极管有电流且钳制电压0.7V，加快充放电时间，见下图右上角国内输入等效图。电源电压越高，正负冲越大，电源电压波动会影响振荡频率，串入R1，输入寄生二极管的电流大大减小，减少了电源电压对频率的影响。
　　从a点的波形中取出前0.7ms成为波形e。第一步，a反相得c，第二步，C3，R3组成微分电路。C3把c的上升，下降的突变传输到U1_3的第5脚。R3已将5脚拉高。上升突变对U1_3不起作用，下降突变5脚变低使U1_3反转，VCC通过R3对C3充电，经过约0.693×R3×C3时间回到5脚高。见下图中波形d。第三步，d反相整形得e：低电平多，高电平是窄脉冲。
　　40kHz振荡器；U1_6，U1-5构成CMOS多谐振荡器，W7调整频率到40kHz。R4的作用是减少电源电压波动影响，C1，C4不能用温度系数大的CT型瓷介电容，最好用CB型聚苯乙烯电容。为什么不能用信号e控制40kHz脉冲振荡器，而要先做连续振荡，然后再通过U2调制？因为CMOS多谐振荡器起振阶段不稳定，而信号e只有0.7ms很窄。总共28个脉冲。还没有稳定就叫停了。波形很不好。
　　超声驱动级。根据参数，超声发送头最大驱动电压可加20多伏，在SV系统为了提高输出功率的方案为：
　　1．晶体管驱动，用输出变压器升压方案；2.CMOS门电路双相驱动。如果一个驱动门单端输出到超声头，最大的峰-峰值是Vcc，用输入信号相位相反的两个门双相驱动超声头，一会儿是j高k低，一会儿是j低k高，等效峰-峰值是2×Vcc。电压升2倍，输出功率提高4倍。本设计用方案2。U2有4个门，两两并联。当信号e为0，4个门统统输出1，Z1两端电位相同，起阻尼作用，制止Z1因惯性的振荡输出。信号e为1，U2上两门和下两门的输入信号是相反的，输出j,k。见下图右侧圈内的波形。 接收器电路分析：接收头信号峰-峰值约10mV，设计放大150倍，放大器末级输出峰-峰值l.5V,R18/R19+W3分压的直流电平为：1.25~2.4V，启动D触发器CP电平是2.5V，所以所需的附加交流脉冲信号的峰-峰值为1.5~0.lV（最不灵敏到最灵敏），调节范围很宽。W3不能调到太灵敏。灵敏度太高，多次反射的回波或杂波输入引起误动作。
　　因为做在一块板上，通过电路板，发射头Z1的振动会传到接收头22，而且信号很大。晶体管VT1在发射周期脉冲为1时导通，短路22.信号过不来。R20/R21分压1NCC，输入到AL3的10脚，AL3的8、9脚短接形成跟随器，输出低内阻的中心电压vs。这种办法比用2个1K电阻分压得VS好得多。C19起高频旁路作用。L1起电源退耦作用，A1:TL084的第4脚，U3:74HC74的14脚接到Vccr端。U3的不用输入端一律也接Vccr端。
　　5倍增益选频放大器。选用TL084，其引线与324相同，增益带宽积是324的3倍。±15V电源时为3MHz．单5V时超过500kHz。40kHz最大增益12.5倍，现在做5～6倍没有问题。大家知道：反馈电阻RF．反相端输入电阻RI，如果信号从同相端输入，运算放大器的放大倍数为K=1+RF/RI;反相端输入，K：-RF/RI.上图中，反馈阻抗为并联的213、215、217，输入阻抗为串联的212、214、216,ωc=R时，213=5x212,215=5×214，216=5×217，K分别为6，-5，-5。如何计算阻抗除阻抗，可以用复数的阻抗运算，以第一级为例，用矢量图解法非常直观，见下图。    
　　当ωc=R时，OAB是一个等腰三角形，串联阻抗是对角线，并联阻抗是中高。直观看出，串联阻抗=2×并联阻抗，如①所示。
　　频率升高，当ωc2×中高。串联阻抗>2x并联阻抗，如②所示。
　　频率降低，当ωc>R时，OAB是一个斜三角形，对角线>2×中高。串联阻抗>2×并联阻抗，如③所示。
　　R13、C13并联，当ωc=R，等效R13/2、C13/2串联。
　　参考①的虚线。由此得出：213=5×212，放大倍数为K=1+213/212=6。
　　当频率升高，由②看出，并联阻抗213小于1/2x（R13-jωC13），213/212小于5，定性看，C13阻抗减小反馈作用增大，增益减小。当频率降低，由③看出，并联阻抗213小于1/2×(R13-j(I)C13)，213/212小于5，定性看串联的C12阻抗增大，反馈增大，增益减小。
　　由于回路的Q很低，电阻电容的误差在5%内，对接收器增益影响不明显。比起高Q的带通滤波器来说，这个电路制作调试比较容易。 　　1m距离判断电路。U3是一块双D触发器，这里用其中1/2。R、S端接固定高电平，不起作用。当持续有一串回波信号加到U3的CP端时，从第一个到最后一个脉冲上升时间D的状态都影响Q输出，小于1m，D高，Q输出恒高，刚刚超过1m，Q有零点几毫秒的高长时间为低，以最后一个回波脉冲时D的状态为持续电平。远大于1m，Q输出恒低。调整U3的3脚偏置直流电平，可以调整灵敏度。调节发射器的W1，改变信号a的正脉宽，可以调准到1m。
　　安装调整。布局主要注意把发射，接收分开。元件较少，布局布线不难实施。先不装22。在调试前先按下图做一个简易毫伏计。接到数字电压表的DC200mV档（或2V档）。数字表读数就是交流信号有效值。测出U1、U2各脚都有输出。
　　将U13第5脚和地短路。即信号d短路地，信号e恒高。对ZI施加40kHz的连续波。将22口对口对准Z1，用毫伏计测接收头的信号电压。调整W2，使输出电压最大。

　　安装22到接收器输入端。取消信号d短路。用一本杂志形成超声反射。由近开始逐步加大距离，毫伏表测Al的各输出端信号。1米处A1_4的14脚有35mV，就是l00mV峰-峰值了。考虑到自制毫伏表的损耗。读数会偏小一点。
　　在U3的第5脚接一个LED，串1K电阻接地。调W3，使灵敏度较高，然后，调W2，校准l米内杂志反射超声使LED亮，过1m分别调W3，W2，使LED不亮。本警报器就调成了。