传感器课程设计副本

1、课 程 设 计 2012 年 6 月 25 课 程 传感器课程设计 题 目 超声波防盗应用电路设计 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 任务书 课程 传感器课程设计 题目 超声波防盗应用电路设计 专业 姓名 学号 主要内容： 随着经济的发展，科学的进步，人们对防盗报警系统越来越重视，采取了许多 防盗报警措施来保护自身和公共财产的安全，由此多种防盗报警系统应运而生。 本次课程设计，采用了超声波技术，利用对超声波传感器的发射与接收，检测 其波形的变化来实现防盗报警的功能。超声波防盗报警系统安全性极高，在重要需 要防盗报警部位安装一个防盗报警设备，一旦有人侵入，超声波报警器即可输出报 警

2、信号。 基本要求： 1、实用性每个防盗报警系统能在实际可能发生受侵害的情况下及时报警； 2、可靠性防盗报警系统所设计的报警结构合理，防盗报警产品经久耐用， 防盗系统可靠。 主要参考资料： 1 金友.造纸厂用激光超声波传感器j.北京：光机电信息,2005,(11). 2 马磊.基于 dsp 的超声波检测仪的设计d.燕山大学,2010. 3 盛春明.超声波测距仪j.电子制作,2010,(05). 4 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用m.电子科技大学出版社,2004. 完成期限 2012.6.252012.6.29 指导教师 专业负责人 2012 年 6 月 25 日 传感器课程设计 摘 要 系统以

3、51单片机为核心，用超声波传感器来检测闯入监控范围内的物体而实 现自动报警。用户使用时把此系统安装在窗户或门上，当有人非法进入房间时， 报警系统开始报警。研究了超声波发射器发出信号的放大以及整流滤波的方法， 设计实用电路并通过系统软件实现自动报警功能。此技术的应用大大降低了系统 成本，具有较高的灵敏度和可维护性。最后提出了性能改进方法，包括增大发射 距离和降低干扰。从而实现可在许多环境中普遍实用的目标。 关键词：超声波；单片机；报警；防盗 传感器课程设计 目 录 一、设计要求 .1 二二、方案设计 .1 1、方案说明 .1 2、方案论证 .3 三、传感器工作原理 .3 四、电路的工作原理 .4

4、 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 .4 1、单元电路设计 .4 2、参数计算 .7 3、器件选择 .7 六、总结 .9 传感器课程设计 1 超声波防盗应用电路设计 一 、设计要求 利用超声波发射与接收来实现报警的功能。当有物体进入到报警范围时，会 把从发射出来的超声波挡住，使接收端接收到的反射波时间减少，再通过放大电 路，滤波电路等单元电路的处理和单片机将其接收到的时间与规定时间的比较， 若与规定的时间不相等，则发出报警。在功能上必须实现高灵敏度、高可靠性、 控制围较大和能够及时报警。基于此种器件简单实用、价钱低廉，目前已经在广 大居民家中得到普遍运用，随着科学技术的发展，相信超声波传感

5、器还会有更大 的发展。 二、方案设计 1、方案说明 方案一 利用超声波测距原理，设计规定的测量距离，当用物体经过超声波传感器时， 势必会遮挡超声波传感器，使其测得的距离小于规定的距离，此时超声波传感器 便出发报警。原理框图如下： 方案二 同样菜用超声波的发射与接收功能，将两个超声波发射装置和接收装置放于 同一条线上，让发射器发射一定频率的波形，超声波接收器接收来自超声波发射 单片机比较 滤波检波 超声波发射 延时控制 接收超声波发射滤波检波 放大 声光报警驱动 图 1 方案一原理图 传感器课程设计 2 器波形，经过信号放大电路以及带通滤波电路后输出，然后输出到整流滤波器进 行整流滤波，得到的是

6、一个高电平的模拟信号，将其信号输入到控制器进行 a/d 转换。当没有非法入侵时，报警电路不动作，一旦有非法入侵时，由于障碍物挡 住了超声波，超声波接收器接收不到信号，整流滤波器输出信号就会变弱，继而 触发控制器启动报警装置，从而达到报警的目的。总体设计如图 2 所示。 方案三 利用超声波移动物体探测器原理。测器的基本原理是：发射器向被探测区域 发射等幅超声波，接收器接受发射回来的超声波，在没有移动物体进入被探测区 域时，反射回来的超声波是等幅的。当有活动的物体进入探测区域时，反射回来 的超声波幅度不等，并且不断变化，接受电路检测到变化的信号控制电路做出反 应即驱动报警。设计框图如下： 信号 放

7、大 带通滤 波电路 报警 装置 51 单 片机 超声波 发射器 整流滤 波电路 超声波 接收器 图 2 方案三原理框图 传感器课程设计 3 超声波发射 检波滤波 电平检测驱动延时控制 放大 声光报警 电平比较 方波发生器整形 超声波接收 图 3 方案三原理框图 2、方案论证 通过对以上三个方案的比较，我们可以看出：方案一其电路简单，可实现性 强，容易操作，可以用作超声波传感器的实现，但其抗干扰能力差，灵敏度低， 不能保证做到实时报警，故不应该选用该方案。方案三虽然可以实现高灵敏度、 高抗干扰能力，也能实现实时报警，但其发射的等幅波形和接收的等幅不容易控 制和形成，所以为了避免不必要的电路设计和

8、误差处理，方案三也不予选取。方 案二由于选取两个直接发出和接收超声波，所以可以保证其灵敏度；同时其电路 还采取了 a/d 转换装置，将模拟量转换为数字量，有利于电路抗干扰能力的提高。 从总体来说，其电路结构不是很复杂，各单元电路设计实现也比较简单，故我们 选取方案二做为我们的设计方案。 三、传感器工作原理 根据方案二的理论，我们设计使控制器控制一个端口输出33khz 的方波，输 出到超声波发射器，超声波接收器接收来自超声波发射器的33khz 方波，经过信 号放大电路以及带通滤波电路后输出的是33khz 的正弦波，然后输出到整流滤波 器进行整流滤波，得到的是一个高电平的模拟信号，将其信号输入到控

9、制器进行 a/d 转换，再送入51单片机处理，若有接收到正常波形，则电路保持稳定工作， 传感器课程设计 4 若接收到的波形不是规定的波形，即有障碍物遮挡超声波的接收，则51单片机控 制电路启动报警电路。 4、电路的工作原理 如图 4 为单片机的引脚图，由于总电路图太大，系统各单元器件分开说明， 在各单元器件的说明部分已经详细说明了连接方式，故在此予以省略，只给出单 片机引脚图与报警电路的接法。 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 1、单元电路设计 (1)超声波发射电路的设计 超声波发射电路如图5所示，由超声波传感器、74hc14反相器、电容组成。 电容选用1f，反相器采用74hc14。1脚接

10、8051f310单片机的p2.4管脚，接收p2.4 端口输出的33khz方波。实际上是超声波窄脉冲信号形成电路，接受控制器输出 的33khz的方波。 图 4 单片机引脚图 传感器课程设计 5 (2)超声波接收电路的设计 超声波接收电路如图6所示。其中包括超声波传感器、ad620以及电阻和电容， 超声波传感器作为接收器。电路中采用的r3电阻为250欧姆，所得到的增益g = 200。电阻采用r1=r2=10k，电容采用c1=c2=1f。 (3)带通滤波电路的设计 考虑到滤波电路的性能对元件的误差相当灵敏，电路易选用稳定而精密的电 阻器和电容器。具体的带通滤波电路的原理图如图7所示。经带通滤波电路后

11、输 出正弦波，频率也为33khz。 图 5 超声波发射电路 图 6 超声波接收电路 传感器课程设计 6 (4)整流滤波电路的设计 本电路的输出的交流信号的频率为33 khz。电容上的电压应大于电容上可能 输出的最大电压，并且为使滤波性能更好一些，波形更平滑一些我去电容更大一 些，故取c4 = c = 10f，具体的电路原理图如图8所示。 (5)延时报警电路 在 p2.5 端口上接报警电路，使 d 在不停地一亮一灭，一亮一灭的时间间隔 为 0.15s。用一个发光二极管代替蜂鸣器。当 p2.5 端口输出高电平，即 p2.51 时，根据发光二极管的单向导电性可知，这时发光二极管 d 熄灭；当 p2.

12、5 端口 输出低电平，即 p2.50 时，发光二极管 d 亮；我们可以使用 setbp2.5 指令 使 p2.5 端口输出高电平，使用 clr p2.5 指令使 p2.5 端口输出低电平。图 9 为 图 7 带通滤波电路 图 8 整流滤波电路 输入 输出 传感器课程设计 7 所示电路图。 2、参数计算 (1)脉冲发射程序设计 输出一个33khz 的方波，方波的周期用定时器t0 来确定，采用中断的方式 来实现，即在t0 中设置一个时间常数，使其每隔0.015ms 产生一次中断，cpu响 应中断后，在中断服务程序中对输出取非。t0 中断入口地址为000bh。 (2)延时报警程序的设计 在p2.5端

13、口上接报警电路，使d在不停地一亮一灭，一亮一灭的时间间隔为 0.15s。用一个发光二极管代替蜂鸣器。当p2.5 端口输出高电平，即p2.51时， 根据发光二极管的单向导电性可知，这时发光二极管d熄灭；当p2.5端口输出低 电平，即p2.50时，发光二极管d亮；我们可以使用setbp2.5指令使p2.5端口输 出高电平，使用clrp2.5指令使p2.5端口输出低电平。 (3)a/d 转换程序的设计 根据报警原理，整流滤波电路的输出为模拟信号高电平，用万用表测得电压 图 9 延时报警电路 传感器课程设计 8 为1.2v，将整流滤波电路的输出接至控制器的p1.2 输入端，将开始正常时的模 拟信号转换

14、成的数字信号后乘以50%，得到一个值，设此值为a。用软件的方法实 现模拟信号转换成数字信号，让控制器通过检测数字信号来随时监控模拟信号的 变化，采用单片机的10位a/d 转换，将模拟信号采集进来，转换成数字信号，并 与a进行比较，如果在运行中采集的信号忽然低于a，则控制器启动报警程序，进 行报警。 3、器件选择 (1)电阻元件的选择：rl、r2、r5、r7 选用 1/4w 金属膜电阻器或碳膜电阻器。 r3 选用超小型合成碳膜电位器或可变电阻器；r6 和 r8 选用超小型有机实心电位 器；r9、r10 选用可变电阻器。 (2)电容元件的选择：cl、c2、c3 均选用耐压值为 l6v 的铝电解电容

15、器；c4 选用独石电容器或涤纶电容器；c5 选用耐压值为 10v 的铝电解电容器。 (3)分立元件的选择： 二极管，实用硅半导体整流二极管 2cz 型。 (4)集成电路的选择：蜂鸣器，可选用型号为 ps-mabz14075dy4012p 的有 源压电式蜂鸣器（12vdc）。放大器，选用低成本、高精度仪表放大器，仅需要 一个外部电阻来设置增益，增益范围为1 至 10000 的 ad620 放大器。反相器， 选用可现 6 路施密特触发，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的 输出信号的 74hc14 反相器。 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 8051

16、 单片机 msc80511 可用其他 u1a/u2a 反相器 74hc142 可用其他 r1/r2/r5/r7 电阻 10 k4 r3 电阻 0.25k1 r4 电阻 2.5k1 r6 电阻 4.6k1 r8 电阻 100k1 r9 电阻 0.47k1 r10 电阻 0.18k1 传感器课程设计 9 c1/c2/c3 电容 1f2 c4 电容 10f1 c5 电容 1000pf2 u0 放大器 ad6201 可用其他 d0 二极管 diode1 正向接入 ls1/ls2 蜂鸣器 12vdc2 可用其他 六、总结 此次课程设计以单片机为核心，利用超声波传感器发射与接收，再经过整流 电路、滤波电路

17、、放大电路等单元处理电路对波形进行处理来检测是否超声波被 遮挡，若有说明在监控范围内有物体进入，驱动器驱动报警器开始报警。 通过对这次超声波防盗报警装置电路的设计，我感受颇多，总结起来大致有 以下几个方面在： 首先，我学会了综合运用课堂之中所学的模拟电子和数字电子的理论知识独 立完成了一个设计。我们在平时的上课学习过程中，接触到的大多是一些理论的 东西，一直感觉很抽象，不知道怎样与实际相联系。而这次的课程设计正好给了 我这样一个机会，让我学着将理论的东西与实践结合起来。 其次，通过查阅手册和文献资料，我开始学着独立思考核解决问题。在查阅 的过程中，也学到了很多平时课堂上没有涉及到的知识。而在设

18、计的过程中，通 过与同学的讨论发现解决问题的方法是多种多样的，每一种思维都有它的可取之 处，都有值得自己学习的地方。在交流学习的过程中，不仅学到了很多有关芯片 的知识，更是学到了各种各样的思维方式，这不仅对我的课程设计大有帮助，甚 至对我今后的学习和工作都有一定的帮助。 再次，在设计的过程中我也学会了写课程设计报告，为自己以后从事这方面 的工作打下了基础。次设计虽然达到了设计的基本要求，可仍然存在着不足，就 是在元件参数的选择上有些问题。 传感器课程设计 10 参考文献 1 黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用m.电子科技大学出版社,2004. 2 金友.造纸厂用激光超声波传感器j.北京：光机电信息,2005,(11). 3 沈晶巍,李超,于树江.超声波传感器在开卷校平剪切线上的应用j.设备管理 与维修,2010,(01). 4 马磊.基于 dsp 的超声波检测仪的设计d.燕山大学,2010. 5 孙建华.基于超声波传感器在物料检测中的应用a.第二届水泥物料计量与自 动给料技术交流会论文集c.2010. 6 盛春明.超声波测距仪j.电子制作,2010,(05). 传感器课程设计 11 东北石油