超声波自动上灯系统的设计和研究.doc

超声波自动上灯系统研究 i 超声波自动上灯系统的设计和研究 摘摘 要要 随着社会不断的发展，尤其是在电子产品迅速发展的今天，利用超声波自 动控制灯光，不但消除了晚上摸黑找不到开关的缺点，用在公共场合还可以最 大限度的节约电能。更加有优势的是，超声波感应不用人发出任何动静，人只 要进入系统的检测范围内，系统就会接通电路，也不用担心还没离开灯就灭了， 这是声控灯光无法比拟的。 本课题首先分析了超声波自动上灯系统的工作原理与组成，对系统各部件 进行分析和参数说明，搭建了硬件平台。其次，对系统进行了一系列的实验验 证。再次，以不同的物体靠近系统进行感应，通过超声波感应实现了电路的自 动感应控制，以不同的工作亮度环境，通过光敏电阻的感应实现了白天黑夜的 感应控制。在晚上或亮度不够的白天，系统就会开启，然后根据检测到的信号 进行相应的控制。 关键词：自动控制；超声波感应；电容延时；节能系统 超声波自动上灯系统研究 ii automatic ultrasonic system of lights abstract as society continues to develop, especially in the rapid development of electronic products today, the use of ultrasonic automatic control of lighting, not only can not find the switch to eliminate the shortcomings of the dark night, with the maximum in public places can also be energy savings. more advantage is that ultrasonic sensors do not give any movement of people, who enter the systems detection range, the system will be connected to the circuit, do not worry about not leave the lights went out, which is voice-activated lights can not match. the first analyzes the subject of automated ultrasonic system works out the light and composition, analysis of system components and parameters, so set up the hardware platform. secondly, the system carried out a series of experiments. again, different objects near the sensor system, achieved through the ultrasonic sensor automatic sensor control circuit, the brightness in different working environment, achieved through the induction photoresistor sensor control of the night and day. bright enough at night or during the day, the system will open, and then detected the corresponding control signals. keywords: automatic control；ultrasonic sensors；capacitance delay；energy saving system 目 录 摘 要i abstract.ii 第一章绪 论 .1 1.1 超声波概述1 1.2 超声波传感器2 1.3 超声波传感器的应用现状3 1.4 超声波自动上灯系统应用价值4 1.5 本章小结4 第二章硬件系统 5 2.1 超声波系统5 2.1.1 超声波及其物理性质 .5 2.1.2 超声波系统的基本结构 .7 2.2 外围电路8 2.3 系统流程10 2.4 硬件系统的功能介绍11 2.5 本章小结12 第三章元件参数及功能 .14 3.1 元件的参数14 3.1.1 超声波模块 14 3.1.2 其他元件 16 3.2 元件的功能24 3.3 本章小结25 第四章实验及系统性能 .26 4.1 实验.26 4.2 性能参数27 4.3 本章小结27 第五章总结 .28 5.1 总结28 5.2 展望29 参考文献.30 致 谢.31 1 第一章绪 论 1.1 超声波概述 超声波是声波大家族中的一员，声波是物体机械振动状态（或能量）的传 播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如， 鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播， 这便是声波。 超声波是指振动频率大于 20khz 以上的，人在自然环境下无法听到和感受 到的声波。 图 11 超声波 超声波的发展史： 自 19 世纪末到 20 世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后， 人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超 声技术的历史篇章。 1922 年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 1939 年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。 40 年代末期超声治疗在欧美兴起，直到 1949 年召开的第一次国际医学超 声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定 了基础。1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗 进入了实用成熟阶段。 国内在超声治疗领域起步稍晚，于 20 世纪 50 年代初才只有少数医院开展 超声治疗工作，从 1950 年首先在北京开始用 800khz 频率的超声治疗机治疗多 种疾病，至 50 年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于 超声波自动上灯系统研究 2 1957 年。到了 70 年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型 医院。 40 多年来，全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。 特别是 20 世纪 80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症 治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外 科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在 21 世纪(hifu)超声聚 焦外科已被誉为是 21 世纪治疗肿瘤的最新技术。 超声波的特点：1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距 离。 3、超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒 质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应） 。 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如 b 超等用作诊断） ；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就 可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态， 性质及结构（用作治疗） 。 1.2 超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。以超声波作为检测 手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器， 习惯上称为超声换能器，或者超声探头。 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材 料可以有许多种。超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合 金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（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， 同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。 有的超声波传感器既作发送，也能作接收。 超声波传感器由发送传感器（或称 波发送器） 、接收传感器（或称波接收器） 、控制部分与电源部分组成。发送器 传感器由发送器与使用直径为 15mm 左右的陶瓷振子换能器组成，换能器作用是 将陶瓷振子的电振动能量转换成超能量并向空中幅射；而接收传感器由陶瓷振 子换能器与放大电路组成，换能器接收波产生机械振动，将其变换成电能量， 作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。控制部分主要对发送器 发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。 3 图 1-2 超声波传感器 1.3 超声波传感器的应用现状 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，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。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具 有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和 超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收 到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波在医学上的应用主要是诊断疾病，它已经成为了临床医学中不可缺 少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛苦、无损害、方法简便、 显像清晰、诊断的准确率高等。 超声波测量液位的基本原理是：由超声探头发出的超声脉冲信号，在气体 中传播，遇到空气与液体的界面后被反射，接收到回波信号后计算其超声波往 返的传播时间，即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法 不可比拟的优点：（1）无任何机械传动部件，也不接触被测液体，属于非接触 式测量，不怕电磁干扰，不怕酸碱等强腐蚀性液体等，因此性能稳定、可靠性 高、寿命长；（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。 超声测距大致有以下方法：取输出脉冲的平均值电压，该电压 （其幅值 基本固定）与距离成正比，测量电压即可测得距离；测量输出脉冲的宽度， 即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 s=1/2vt。如果测距 精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度 超声波自动上灯系统研究 4 的中长距离测量。 1.4 超声波自动上灯系统应用价值 在现代的社会里，电能是应用很广泛的能源之一，然而全球的能源问题很 严峻，电力供应也很紧张，节约用电成了一件迫在眉睫的事情。在很多场合并 不需要连续不断的用电，比如纪念馆、楼道等等，这些地方只需有人经过的时 候通电就可以了。 超声波自动上灯系统通过超声波传感器感知移动物体的靠近而接通控制电 路，然后控制继电器的吸合而接通负载电路，这样不仅克服了声控电路因外界 错误信号（如燃放鞭炮、烟花的声音）而接通电路的弊端，而且做到了节约用 电的要求。 1.5 本章小结 本章主要从超声波的特性出发，讨论了超声波的发展史，讨论了超声波传 感器的原理与特点，并由此总结了超声波传感器在生产生活各个方面的广泛应 用。 5 第二章硬件系统 2.1 超声波系统 2.1.1 超声波及其物理性质 振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。频率在 16020khz 之间， 能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于 16 hz 的机械波，称为次声波；高于 20khz 的机械波，称为超声波。如图 2-1。 当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不 同，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 次声波声波超声波微波 音乐 语言探测 0.2510620106 101102103104105106107hz 图 21 声波的频率界限图 超声波的波形及其转换 由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，声波的波型也 不同。通常有： 1、纵波质点振动方向与波的传播方向一致的波； 超声波自动上灯系统研究 6 2、横波质点振动方向垂直于传播方向的波； 3、表面波质点的振动介于横波与纵波之间，沿着表面传播的波。 横波只能在固体中传播，纵波能在固体、液体和气体中传播，表面波随深 度增加衰减很快。为了测量各种状态下的物理量，应多采用纵波。纵波、横波 及其表面波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度，气体中声速为 344 m/s，液体中声速在 9001900 m/s。当纵波以某一角度入射到第二介质（固体） 的界面上时，除有纵波的反射、折射外，还发生横波的反射和折射，在某种情 况下，还能产生表面波。 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被 反射，另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称 之为声波的反射和折射，如图 2-2 所示。 图 22 超声波的反 射和折射 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角 的正弦与反射角 7 的正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角 的正弦与折射 角的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速 c与折射波在第二介质中的 波速 c2之比，即 = sin sin 2 1 c c 超声波的衰减 声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程 度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。 其声压和声强的衰减规律为 px= p0e-x （102） ix= i0e-2x （103） 式中：px、ix距声源 x 处的声压和声强； x声波与声源间的距离； 衰减系数， 单位为 np/m（奈培/米） 。 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散、散射和吸收，在理 想介质中，声波的衰减仅来自于声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声 能的减弱。散射衰减是固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波 散射。吸收衰减是由介质的导热性、粘滞性及弹性滞后造成的，介质吸收声能 并转换为热能。 2.1.2 超声波系统的基本结构 超声波系统的信息探测过程包含超声波产生、传输、反射、接收反射信号 等环节。一个超声波系统通常由超声波发射器、超声波接收器、信息处理系统 和执行装置等组成。简单的超声波系统组成如图 23 所示。 超声波自动上灯系统研究 8 产生超声 波传输 遇到障碍 物反射 接收超声 波信息处理 图 23 超声波系统工作原理图 超声波的产生：在超声波自动上灯系统工作状态下，该环节不断的发出超 声波信号，是超声波系统工作的起点，对整个超声波系统有着至关重要的作用。 本设计在这个环节使用的是 t-40xx 型超声波传感器。 超声波的传输：在本设计中超声波的传播介质是空气，产生超声波后，就 要将超声波传输出去，超声波在空气中传输直到完全衰减。 超声波的反射：超声波在有效的感应范围内遇到障碍物（本设计中是人） 就会反射回去，这是超声波感应的必然动作。 超声波的接收：超声波经过以上的一系列动作，把有效地超声波信号反射 回来，由超声波接收器接收，将声超声波信号转换成电信号。这里用的是 r- 40xx 型超声波传感器 信息的处理：这一环节就是将感应的结果分析出来，为电路的接通提供依 据，也就是感应到人的靠近后将电路接通的动作，主要是继电器的动作。本设 计用的是欧姆龙公司的 g6c 型继电器。 2.2 外围电路 超声波自动上灯系统的关键系统在上一节中已经介绍了，就是超声波系统， 除了超声波系统外，课题还包含了其他外围的辅助电路，主要是延时电路和控 制电路等。延时电路用的是电容放电延时的方法，控制电路主要是继电器控制 电路。 在众多的电器设备及电子测量仪器中，rc 电路得到了广泛的应用。例如： 在单稳电路用它调整输出波形的宽度，在锯齿波发生器、r c 正弦波振荡器、 9 多谐振荡器中，rc 电用以调节它们的振荡频率，在延时继电器中，则是由 rc 电路决定其延迟时间的长短。 对于如图 24 所示的 rc 串联电路，在有关电路理论的教科书中，多以此 为例。 uc ur r ce k 图 24 rc 电路 e u， i a uc 放电曲线 t ur i -e/r 0 图 25 电容放电曲线 -e 超声波自动上灯系统研究 10 u，i uc 充电曲线 i t0 e 0.63e e/r ur 图 26 电容充电曲线 电容放电延时电路即 rc 延时电路的延时时间可通过电阻或电容的大小来调 整，但由于延时电路简单，存在着延时时间短和精度不高的缺点。对于需要延 时时间较长并且要求准确的场合，应选用时间继电器为好。 2.3 系统流程 系统中的超声波传感器感知到人员的靠近，接通控制电路，然后控制电路 控制负载电路接通，当超声波传感器没有接收到反射回来的超声波，控制电路 将进入延时阶段，直到延时结束还没有感知到人员靠近，电路被切断，系统流 程如图 27 所示。 11 开始 有人？ 接通电路 离开？ 断开电路 延时 n y n 25s 25s y 图 27 系统流程图 设计的系统在接通电源的状态下，超声波传感器就不断对外发射超声波信 号，系统不断判断有没有人靠近，若系统没有接收到反射回来超声波信号，系 统将继续它的判断，直到系统接收到超声波信号，即确定有人靠近，系统马上 接通电路。电路接通后，系统将根据超声波信号有没有消失判断人有没有离开， 若人没有离开超声波感应范围，系统将继续判断人有没有离开，一旦系统确定 人已经离开，系统即进入延时接通电路阶段。在延时接通电路阶段若延时还没 结束又有人进入感应范围内，系统将从接通电路开始顺序向下再运行一次，若 直到延时结束还没有人来，系统将断开电路，然后系统又重复以上的工作过程。 超声波自动上灯系统研究 12 系统在白天光线充足的时候不会因为人员的靠近而接通电路，只有当光线 不足，且有人员靠近时，系统才会接通电路，如图 28 所示。 图 28 系统运行示意图 2.4 硬件系统的功能介绍 该系统最主要的功能就是要能感应到人员的靠近，首先该系统需要通过超 声波传感器感知人员的靠近，然后才能进行下一步动作。超声波感应这个模块 在整个超声波自动上灯系统的研究过程中占有很重要的地位，只有超声波传感 做的好，才可能完成后面的电路的接通。因此本系统中所要完成的主要功能如 下所述： 超声波感应功能：该模块主要是通过超声波传感器发出超声波来探测人员 的靠近，为电路的接通提供信息，实现此功能的模块由 t-40xxr-40xx 型超声 波传感器组成。 接通电路的功能：该模块主要是接受传感器感知到人员的靠近这一信息， 然后通过继电器接通电路，达到控制的目的，实现此功能的器件是欧姆龙公司 的 g6c 型继电器。 延时功能：该模块主要是通过电容的储能，然后靠电容放电达到对电路工 作的延时，延时电路本设计中使用的是 rc 型延时电路。 变压功能：该模块是通过变压器降压为系统提供较小的工作电压，本设计 中用的是 toyoden 公司的 ht1203 型变压器进行变压。 稳压功能：该模块通过稳压器为系统提供稳定的工作电压，在本设计中实 现此功能的器件是 lm317t 型 3 端稳压器。 13 超声波自动上灯系统整体设计电路如图 29 所示 d1 adj in out 0.5f t 变压器 c1 330 25v2 240 c2 10 10v 1k bef 墙壁 100 1 rl1 c3 220 16 tr 2sd560 15 1 9 11 ac100v vr1 5k 图 29 超声波自动上灯系统 2.5 本章小结 本章主要从超声波的性质和超声波传感器出发，讨论了超声波的物理性质， 讨论了超声波自动上灯系统的硬件组成及其硬件系统功能，讨论了超声波自动 上灯系统的流程，从总体上介绍了本课题的设计，为下一章超声波自动上灯系 统具体元件参数的介绍提供了硬件基础。在下一章中，将具体介绍超声波自动 上灯系统的元件参数以及功能等内容。 sw1 ic1 lm317t 超声波自动上灯系统研究 14 第三章元件参数及功能 本系统使用到的元器件有：超声波传感器、稳压器、变压器、桥式二极管、 可变电阻、电阻、光敏电阻、电容器、晶体管、继电器等。 15 3.1 元件的参数 3.1.1 超声波模块 在本设计中超声波模块使用的是 htbef2002 型超声波传感器，bef 系列 超声波距离传感器，采用超声波回波测距原理，运用精确的时差测距技术来检 测物体的存在。运用该型超声波传感器，具有测量准确、无接触、防水、防腐 蚀、和低成本等优点。 表 3-1 htbef2002 型超声波传感器主要技术指标 检测距离 2m 波束角（- 6db） 1215 盲区 0.20m 工作电压 1224v dc 超声波工作 频率 120khz 工作电流 100ma 重复精度 0.5% 输出010v 电压 输出速度 5 次/秒 工作温度 -2070 防护等级 （前端）ip65（后端不防水） 标准测试目标 物 0.50.5m 材质 不锈钢（外壳） abs（传感头） 超声波自动上灯系统研究 16 m12 插头 按键，提 示灯 80mm 60mm m301.5 图 3-1 htbef2002 型超声波传感器 外形尺寸 k（按键）led（指示灯） 图 3-2 传感器后端 图 3-3 传感器实物图 引脚定义： 1：vcc（电源正极） 2：gnd（电源负极，信号公共端） 3：out（0-10v 信号输出） 4：nc（空） 5：nc（空） 17 vcc gnd 信号公共端 out（输出） 1 2 3 图 3-4 超声波模块接线图 3.1.2 其他元件 稳压器： 本设计使用的稳压器是 lm317t 型可调输出 3 端稳压器。lm317t 是由美国 国家半导体公司在 2001 年生产的一种三端口稳压器件，他的输出电压可以通过 调整电阻进行一定幅度的调整。输出的电压幅度在 1.227v 之间，基本上可以 满足大多数集成芯片所需要的电压幅度。 图 3-5 lm317t 实物图 超声波自动上灯系统研究 18 表 3-2 lm317t 参数表 输出电压范 围 1.2-37v 输入参考差 别电压 40v 输出电流内部有限的功率耗散内部有限的 封装 to-220 处理信号数模混合信号 工作温度 -40125 储存温度 -65150 图 3-6 lm317t 引脚图 变压器： 本设计使用的变压器是 toyoden 公司的 ht-1203 型变压器。该型变压器的 输出电压为 12v、输出电流为 0.3a。 19 图 3-7 变压器实物图 表 3-3 ht-1203 型变压器参数表 相数 1 额定输出 0.3a 输入电压100v（ac） 输出电压12v（ac） 频率 50hz/60hz 静电屏蔽 无 工作温度 -10 40 最高温度上 升 60 电压偏差在 5电压调整少于 30% 绝缘电阻100m 以上耐电压 1.5kv 物理尺寸 235 185 75 毫米 （长 x 宽 x 高） 桥式二极管： 本设计使用的桥式二极管是 1a 印制电路板用的桥式二极管。桥式二极管是 利用四个二极管，两两对接，输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的 输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所 以输出还是得到正弦波的正半部分。 输入电压：12v（ac） 输出电压：10v（dc） 内部二极管承受的反向峰值电压：122 超声波自动上灯系统研究 20 图 3-8 桥式二极管实物图 继电器： 本设计使用的是 omron 公司的 g6c-1114p-us-u 型继电器。 表 3-4 继电器参数表 额定电压 dc12v 额定电流 16.7ma 线圈阻抗 720 动作电压70%以下 复位电压10%以上最大容许电压160%（23） 物理尺寸 201510mm(长宽 高) 功率耗散 200mw 接触电阻*130m 以下 动作（置位） 时间2 10ms 以下（约 5ms） 复位（重置） 时间*2 10ms 以下（约 2ms）机械寿命 5,000 万次以上（开关 频率 18,000 次/h） 使用环境温度 -25+70（无结冰、无 凝露） 使用环境湿度585rh 重量约 5.6g 21 注:1.额定电流、线圈电阻的值指的是线圈温度为+23时的值，公差10% 2.动作特性指的是线圈温度为+23时的值。 3.最大容许电压为继电器线圈能够施加的电压的最大值。 4.*1 测量条件：根据电压下降法，在 dc5v 1a 的条件下。 5.*2 （ ）内的数值为实际值 表 3-5 继电器开关部（接点部）参数表 接点结构1a 接点 阻性负载感性负载（cos=0.4、l/r=7ms） 定格负载 ac250v 10a（8a） dc 30v 10a（10a） ac250v 5a（5a） dc 30v 5a（5a） 接触结构 单 接点材质 ag 合金（无 cd 材料） 额定通电电流10a（10a） 接点电流的最 大值 10a（10a） 接点电压的最 大值 ac380v、dc125v 开关容量的最 大值（参考值） 2,500va 300w1,250va 220w 超声波自动上灯系统研究 22 图 3-9 继电器实物图 可变电阻： 本设计使用的可变电阻是标称阻指为 5k 的可变电阻。 标称阻值：5k 允许偏差：5% 额定功率：0.5w 类型：普通型 电阻体材料：金属膜 图 3-10 可变电阻实物图 电阻： 本设计使用的电阻有三种，分别是阻值为 240 的一个、阻值为 1k 的两个 和阻值为 100 的一个。 表 3-6 电阻参数表 标称阻值 2401k100 允许误差 5% 5%5% 额定功率 0.25w 0.25w0.25w 电阻体材 料 金属膜金属膜金属膜 23 图 3-11 电阻实物图 光敏电阻： 本设计使用的光敏电阻是 gds 光敏电阻。 光谱峰值：520nm 最高工作电压：350vpk 最大功耗：500mw 亮电阻：在 10 勒克斯时为 12-58k 暗电阻：1m 图 3-12 gds 光敏电阻实物图 电容器： 本设计使用的电容是大小分变为 330、10、220 的电解电容。 超声波自动上灯系统研究 24 表 3-7 电解电容参数表 标称容量 33010220 允许误差 5%5% 5% 额定工作电压 50v 10v16v 材料铝电解铝电解铝电解 图 3-13 电解电容实物图 晶体管： 本设计使用的晶体管是 nec 公司的 2sd560 型 npn 管。 材料与特性：硅 npn 耗散功率：30w 最大集电极电流：5a 最高反向电压：100v 电流放大系数：20-150 25 图 3-14 三极管实物图 3.2 元件的功能 超声波模块的功能：超声波模块是本设计的感应电路，它承担着对是否接 通电路的问题进行判定，相当于是人的大脑，控制着所有的动作，只有该模块 成功准确的工作了，才能实现本设计预期的所有功能和效果。 变压器、桥式二极管和电容 c1组成了整流滤波模块，它的功能是将交流电 压转换成平滑的 12v 直流电压，为本系统提供合适的直流电压。变压器的功能 是将交流电压转换成较小的交流电压，桥式二极管的功能是将交流电压整流获 得有较大脉动的直流电压，电容 c1的作用是通过电容的充放电特性对整流后的 电压进行滤波，得到平滑的直流电压。 稳压器、变阻器以及外围的电阻、电容组成了稳压模块，该模块的的功能 是稳定电压信号，以便提高系统的稳定性能和可靠性能，变阻器的作用是可以 改变稳压模块的输出电压，电容的作用是改进模块的瞬态响应。 三极管和继电器组成了系统的动作模块，该模块的功能是根据超声波传感 器感应到的状态以及系统的其他模块的状态，对电路进行相应的控制动作，最 终实现系统的设计要求。 电容 c3的功能是当系统断开电源后为电路提供延时接通所需的电能，实现 的是本系统要求的延时功能。 超声波自动上灯系统研究 26 3.3 本章小结 本章主要从元器件参数和功能出发，讨论了本系统中的超声波模块及各元 器件的详细参数，讨论了本系统中的超声波模块及各元器件的功能，下一章将 介绍系统的实验及系统的性能参数。 27 第四章实验及系统性能 4.1 实验 实验所用仪器：数字万用表、秒表和卷尺 图 4-3 数字万用表实物图 图 4-4 秒表实物图 图 4-5 卷尺实物图 实验目的： 1、学会使用本设计的系统，熟练掌握对系统参数的设置。 2、测得系统的参数设置范围，熟知系统能够使用的应用环境。 3、为以后进一步的研究工作提供改进的数据参考。 实验方法： 超声波自动上灯系统研究 28 本设计的正常工作工程应该是合上 sw1 后，传感器单元的指示灯即被点亮。 因此，如果遮住传感器前端，传感器单元的指示灯也被点亮，则说明超声波传 感器的工作是正常的。实验中，若继电器 rl1 无动作，应该首先确认 ic1 的输 出电压是否为 12v，发光二极管是否点亮。 超声波传感器的量程设置和校准： 1、设置 10v 输出点 按下开关“k” （约 1 秒/次）一次，led 变为绿色，将传感器对准被检测目 标方向，按下“k” （约 5 秒）直至 led 熄灭，此时传感器与目标之间的距离被 设定为 10v 输出点的距离。 2、设置 0v 输出点 按下开关“k” （约 1 秒/次）两次，led 变为红色，将传感器对准被检测目 标方向，按下“k” （约 5 秒）直至 led 熄灭，此时传感器与目标之间的距离被 设定为 0v 输出点的距离。 利用数字万用表、秒表和卷尺等工具直接通过实验得出系统检测距离和系 统延时时间，再运用三角函数关系（sin=对边/斜边）得出系统的检测角度 （2） 。 4.2 性能参数 本设计的性能参数有： 检测范围：0.2-2m， （0.3m 范围内应无障碍物，以免影响系统检测的准确 性） 。 检测角度：12-15 检测尺寸：0.50.5m，能检测到所有人员（除了不能行走的婴儿）的靠近 的靠近。 延时时间：约 25s，该参数可以通过更改电容 c3的大小来改变。 4.3 本章小结 本章主要从系统的实验出发，讨论了系统实验的设置，讨论了系统的性能 参数以及改变的方法。下一章中将对本设计做一个总结和展望。 29 第五章总结 5.1 总结 本文在对超声波性质的分析的基础上，对超声波自动上灯系统进行了系统、 详细的介绍；对系统的工作过程进行仔细的推敲，得出了系统的工作流程；对 本设计的要求进行全面的分析，设计出了本系统的电路图。 纵观全文，本设计主要做了以下工作： 1.根据本设计的任务书的要求，确立了超声波自动上灯系统的总体设计方 案，其实质就是一个超声波感应模块和一个光传感器。通过超声波感应模块获 得人靠近和离开的信息，从而得到人来灯开人走灯灭的效果，通过光传感器获 得白天和黑夜的信息，从而得到白天系统不做设计要求的动作，晚上系统按设 计要求的动作进行工作。 2.以设计的电路图为依据，对电路中的每个元件进行选择以及对元件的功 能进行介绍。 （1）采用 htbef2002 型超声波传感器，根据要求可以对感应距离作 0.2 米到 2 米之间的调节。 （2）采用 toyoden 公司的 ht-1203 型变压器、桥式二极管和 330 电解电 容组成整流滤波电路，将 100v 的交流电压转换成 12v 的直流电压。 （3）以 lm317t 型可调输出 3 端稳压器、标称阻指为 5k 的可变电阻和 240 电阻组成稳压电路，为系统稳定电压信号，调节可变电阻值可以改变稳 压输出的电压值。 （4）采用 nec 公司的 2sd560 型 npn 管和 omron 公司的 g6c-1114p-us-u 型 继电器组成功能实现电路，对信号进行放大进而通过继电器实现对电路的控制。 （5）采用 rc 电路，系统工作时为电容充电，当系统断电后，电容就会放 电为系统提供延时所需的电压，可根据需要改变电容的容量，从而得到不同的 延时时间。 3.对系统进行实验，得出本设计的性能参数。 与生活中应用广泛的声控灯相比，本设计具有以下优点：(1)只需要人安静 的走近，不需要人发出任何声音，系统通过超声波遇到人而反射回来的信号判 超声波自动上灯系统研究 30 断人员的靠近，能有效避免噪声的出现。 （2）本系统不会受到外界噪音的干扰 而错误的接通电路，如：春节的鞭炮、烟花等的声音。 5.2 展望 本文中用超声波检测的准确性还需要进一步在复杂和多种不同情况下进行 验证，以检验其适用性。 本设计虽然在一定程度上能够实现感应人员靠近而接通电路的目的，但是 超声波传感器在传感器技术领域相对于其他传感器广泛应用的时间比较晚，在 控灯方面更是欠缺研究，以及论文作者水平有限，在很多技术性问题上还应当 从更多的角度出发进行更为深入的讨论与研究，比如超声波感应的距离和精度、 超声波的反射问题、噪声问题等等。现在社会中普遍应用的是声电