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1、课 程 设 计课 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 2012年6 月 25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信号。 基本要求：1、实
2、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 日摘 要系统以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
3、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；防盗目 录一、设计要求1二、方案设计11、方案说明12、方案论证3三、传感器工作原理3四、电路的工作原理4五、单元电路设计、参数计算和器件选择41、单元电路设计42、参数计算73、器件选择7六、总结9超声波防盗应用电路设计一 、设计要求利用
4、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。
5、原理框图如下：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。信
6、号放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： 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
7、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
8、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，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。四、 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。图4 单片机引脚图五、单元电
9、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5 超声波发射电路 (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。 图6 超
10、声波接收电路(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。经带通滤波电路后输出正弦波，频率也为33kHz。图7 带通滤波电路(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。图8 整流滤波电路 输入输出(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
11、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CLR P2.5 指令使P2.5端口输出低电平。图9为所示电路图。图9 延时报警电路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
12、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P2.5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成的数字信号后乘以50%，得到一个值，设此值为A
13、。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
14、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 kW4R3电阻0.25k1R4电阻2.
15、5k1R6电阻4.6k1R8电阻100k1R9电阻0.47k1R10电阻0.18k1C1/C2/C3电容1F2C4电容10F1C5电容1000pF2U0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、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
16、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
17、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。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). 东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称传感器课程设计题目名称超声波防盗应用电路设计学生姓名学号指导教师姓名职称序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语：指导教师： 年 月 日
