超声波防撞报警器的设计

基于超声波传感器在车辆防撞应用

【摘要】

企业生产车间运货的行车在固定的轨道上运行，如何在两辆行车相距较近时及时报警是本设计研究的主要内容。超声波防撞报警器利用超声波为收发媒介，在固定轨道上的两辆行车上各装有超声波发生和接收装置，当两车相距达到5m时，接收装置信号达到触发报警，提醒行车停车。

【关键词】

超声波传感器；振荡器；报警电路；比较电路

【引言】

随着电子技术的发展，在距离探测上出现了微波、雷达、激光等测距形式。由于技术难度大，成本较高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。

超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，能够在测量精度上能达到工业实用的要求。超声测距是一种非接触式的检测方式，与其它方法相比，如电磁或光学的方法，它不受被测对象颜色、光线等影响，对于被测物处于恶劣生产环境（如黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等）有一定的适应能力，具有较高的分辨力，其准确度也比其它方法高。由于超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点，本设计利用超声波来测量距离。

【电路设计】

1. 超声波防撞报警器的设计

1.1.1 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。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。本次设计的核心器件是UCM-T40K1和UCM-R40K1压电式超声波发生器。压电式超声波发生器体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、报警等电子装置最理想的电子器件。

主要工作原理：它是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

共振板

电极

压电晶片

图1-1 超声波传感器结构

1.1.2 超声波发射电路

根据超声波的结构特点，要使超声波传感器产生信号，必须使其频率等于压电晶片的固有振荡频率40KHZ时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，因此发射电路关键是由振荡电路产生40KHZ的电磁波再由压电式超声波传感器将信号发射出去。

555电路比较方便实现多谐振荡信号，设计的关键是使其工作频率在40KHZ上，超声波发射电路如图1-2所示。

矩形波的周期取决于电容充放电的时间常数。

通过改变充放电时间常数，便可改变矩形波的频率。调节电位器W使工作频率为40KHZ，其中为了滤除干扰，C2旁路电容一般为0.01uF。发光二极管串联电阻组成指示电路，指示灯亮表示发射电路工作。

图1-2 超声波发射电路图

1.2 超声波接收电路

接收电路由接收电路模块（包括接收放大电路、倍压整流滤波、比较器等电路）、报警电路模块等组成。

1.2.1 接收电路模块

接收电路模块由接收放大、倍压整流滤波、比较器及驱动电路组成，如图1-3所示。

图1-3 接收电路模块

传感器接收头UCM-T40的共振板接收到40KHZ超声波时，将压迫压电晶片作振动，

由于该频率与其固有频率一致，机械能转换为电信号，从第一级放大电路的基极送入，

进行两级电压放大。

由于三极管V4集电极输出的放大信号为交流信号，为达到由运算放大器（IC2）构

成的比较器电路的直流电压极性，必须由VD5、VD7、R13、R14组成二倍压整流电路进行

整流，再经过C5滤波后送入运放2脚作为输入电压。

运放参考电压由电位器RP2上送入，其数值取决于超声波发射和接收头相距5m时2

脚上的电压大小。

如果两车距离超过5m，则超声波接收头上收到的信号较弱，经放大、整流、滤波后

的信号（即运放2脚上信号）小于参考点3脚的信号强度，比较器输出端（即运放6脚）

输出低电平，V5、V6组成的复合管截止，继电器K1不动作；如果两车距离在5m以内，

则超声波接收头上收到的信号较强，经放大、整流、滤波后的信号（即运放2脚上信号）

大于参考点3脚的信号强度，比较器输出端（即运放6脚）输出高电平，V5、V6组成的

复合管饱和导通，继电器K1得电，常开触点K1-1 吸合，报警电路工作。因此合理调节电位器RP2的位置，可改变送入3脚的电压大小，

进而可以调节报警距离。

1.2.2 报警电路模块

图1-4 报警电路模块

报警电路如图1-4所示，由555电路构成的多谐振荡器、三极管、LED发光二极管和蜂鸣器等组成。

【结束语】

通过这次超声波防撞报警器设计，综合运用专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次报警系统设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了传感器设计等课程所学的内容，掌握装置设计的方法和步骤，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准。并且经过反复检查，基本最终实现了我所预想的全部内容，达

到了预期的效果。

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