超声波报警器课程设计

湖南文理学院芙蓉学院课程实习报告
电子设计制作与工艺实习: 实习名称
学生姓名：曹泽宇
学号：11160114
专业班级：通信工程
指导教师：王立
完成时间：2013年6月20日
报告成绩：
超声波防盗报警器设计目录：摘要
前言第一章超声波防盗报警器总体设计方案第二章51单片机的超
声波防盗报警器 2.1
的超声波报警器T40-16，R40-16 2.2 敏感元件方案论证与选择 2.3 模块功能介绍及电路设计第三章
超声波发射模块3.1
超声波接收放大与检波滤波电路3.2
电平比较与检测电路3.3
3.4 延时控制电路 3.5 声光报警电路3.6 参数计算与调试
第四章模块的连接关系式收音机的组装FM/AM第五章
收音机原理 5.1
无线广播信号的发送与接收 5.1.1
5.1.2 调制的作用： 5.1.3 调幅（幅度调制）基本原理：5.1.4 调频的基本原理集成电路收音机电路与分析 5.2
焊接过程与方法 5.3
Protel 99 SE第六章使用介绍设计总结与体会第七章参考文献附录一：超声波防盗报警器总设计图 PCB附录二：收音机电路图及版设计图
摘要：
防盗报警系统是用物理或电子技术，自动探测发生在布防监测区域内的侵入行为，产生报警信号，并提示值班人员发生报警的区域部位，显示可能采取对策的系统。

一旦发生突发状况，就能通过声光报警信号在安保控制中心准确显示出事地点，便于迅速采取应急措施。

本设计报告所制作的超声波防盗报警电路，能准确地探测出前方1米以内的障碍物，并经检测反射回来的超声波信号，以控制报警电路工作。

发射器向被监测区域发射等幅超声波信号，接收器接收反射回来的超声波，若无物体进入被探测区域时，反射回来的超声波是等幅的。

当有
活动的物体进入监测区域时，反射回来的超声波幅度不等，并且不断变化，当接收电路检测到此类变化的信号时控制电路做出反应即发出声、光报警信息。

关键字：超声波防盗多谐振荡器报警
第一章前言：
超声波探测器有着广泛的用途。

例如，自动开关门的检测、控制器；电
梯自动启动器；防盗报警探测器等。

这种探测器的特点是可以判断被探测区域内有无活动的人动物或其它移动的物体，控制围较大，可靠性高。

这种超声波探测器具有两种典型结构：其一是发射器和接收器相对放置，物体挡住超声波的传播路径时即被检测到物体的存在，这种结构类似于红外线防盗报警器的道理。

另一种应用较广泛的结构是超声波发射器和接收器并排放在一起。

发射器发射超声波，接收器接收反射回来的超声波，通过反射的超声波可以判断有无被探测物体的存在，及存在的距离等。

本实习报告介绍了利用超声波敏感元件作为发射头和接受头, 发射器向被监测区域发射等幅超声波信号，接收器接收反射回来的超声波，若无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监测区域时，反射回来的超声波幅度不等，并且不断变化，当接收电路检测到此类变化的信号时控制电路做出反应即发出声、光报警信息。

本报告中的超声波防盗报警器具有以下功能和特点：侦测范围1米左右；有效范围内侦测到有物体移动时，20秒延迟左右发出声、光报警，以便使用者进入时有切除警报；发出声、光报警信号经分钟后能自动撤除警报，以便重复侦测报警。

2．
第二章超声波防盗报警器总体设计方案
2.1 方案一基于51单片机的超声波防盗报警器（资料）
该方案如图所示，51单片机产生40K频率的信号，经过整形后送到超声波发射器使其发出超出波，反射器向被探测区域发出等幅超声波，接收器接受反射回来的超声波，当没有物体进入被探测区域时，反射回来的超声波是等幅的；当有物体移动时，接收器接收到的超声波幅度不等，并且不断发生变化，接收电路接收到信号后，经过放大检波滤波后，又经过电平比较后，转换成电平信号，由单片
R40-16，的超声波报警器2.2 方案二：基于敏感元件T40-16作为超声波发射、接受传感R40-16T40-16 本超声波防盗报警器采用元件，接收器接收到当有物体移动时，器，利用该传感器的特殊性能来控制报警电路。

检测、并且不断发生变化，接受电路接收到信号后经过放大、的超声波幅度不等，比较、电平检测、执行，使报警电路产生声、光报警。

其整个电路的方框图见如RC芯片为主构成。

接收器的组成是：接收到的信号经过下图。

发射器由时555放大的信号经过二极管进行幅度检波滤波后，再经过运算放大器作为前级放大；送至由经二极管整流后得到比较平滑的直流电平；再经过滤波和运算放大，后，
运算放大器组成的比较器，进行电平比较检测，有物体移动时输出为低电平，产生一个负脉冲触发后级的单稳电路等延时器件。

当有物体在探头前移动时，报警系统延时约20秒报警，以便使用者自己能通过按键关闭系统。

系统的声、光报警设置在两分钟左右，两分钟后，系统自动撤除报警，以便重复检测。

方波发生器整形发超声波射
放大比电平波检滤超声波较波接受
驱动检平时控声光报电延测制警
方案论证与选择2.3
方案一将采用单片机进行控制，这样电路复杂程度将会增加，而且还要进
且对于单片机的软件设计，我们并没有深行软件设计，成本增加，工作量加大,入学习。

鉴此，我选用方案二，这样可以使电路简单实用，而且也不会涉及到软件设计，不但可以节约成本，而且设计起来简单方便。

第三章、单元模块功能介绍及电路设计超声波发射模块3.1.1
调整方便，时基集成电路，它的晟大优点是电路较简单、发射器采用通用555为的是提高时基电路带负载的在时基电路的输出端接了反相器，而且频率稳
定。

能力，同时也起到对输出波形整形的作用。

经这两极反相器驱动超声波发射头，，经锥形辐射口将通过发射头内部的陶瓷激励器和谐振片转换成机械振动信号的方波信号以最大的声压能级向空间辐射出去。

40kHz
T40-16,R40-16作为超声波发射、接收传感器；采用元件超声波是超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

介绍如下：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构成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。

播等特点。

因此每个探如直径和厚度也各不相同，晶片的材料可以有许多种。

晶片的大小，超声波传感器的主要性我们使用前必须预先了解它的性能。

头的性能是不同的，能指标包括：）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流（1 电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波（2医疗用探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；反3（
之，灵敏度低。

1所示：其性能参数见表：超声波传感器电
采用NE555构成多谐振荡器，来产生40KHZ方波信号。

下面介绍555集成定时器：
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555 定时器的内部电路框图及引脚如图2.图3所示。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管T 及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3
555 定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS
脚悬空时，则电压比 5 触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当．。

的同相输入端的电压为的反相输入端的电压为 2VCC /3，C2 VCC /3较器 C1 触 RS ，则比较器 C2 的输出为 0，可使若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3 TR ，同时如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3发器置 1，使输出端 OUT=1。

RS 触发器置C2 的输出为 1，可将/3端的电压大于VCC ，则 C1 的输出为 0，0，使输出为 0 电平。

555定时器的功能表见表2。

等效电路图图1 555
引脚图内部结构图图3 555 图2 555
功能表表2 555 高触发TH低触发清零放电T功Q
直接清零导通××0 0
保持上一状态保持上一状态x 0 1 1
置1 截止1 1 1 0
置1 截止1 0 1 0
清零导通0
1
1
1
(1) 构成基本多谐振荡器
多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外
还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。

多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。

由555定时器构成的多谐振荡器如图1所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。

由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。

这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。

充电时间常数T充=（R1＋R2）C。

不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。

电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc 之间变化。

图1（b）所示为工作波形。

图1 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形
图4 555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形
该模块的原理图见下图5
图5 超声波发射模块
3.1.2 超声波接收放大与检波滤波电路
接收到的信号经过R6,C4滤波后，经过运算放大器作为前级放大,放大倍数为A1=R7/R5=47,又经过A2=R9/R8=47,总的增益A=47*47；放大的信号经过二极管D1,D2进行幅度检波后，在所探测的区域没有物体移动时输出为零，当存在活动的物体即有电压信号。

运算放大器采用的是TL082,首先介绍一下其有关资料：TL082 宽带高速运算放大器，其管脚图及原理图如图6.图7所示：
图6 运算放大器管脚图图7 超声波接收放大与检波滤波电路
3.1.3电平比较与检测电路
存在活动的物体时便有电压信号，再经过滤波和运放放大，经二极管D3,D4整流后得到比较平滑的直流电平；得到的直流电平延时1S后送至一个由运算放大器组成的比较器，进行电平比较检测，有物体移动时输出为低电平，产生一个负脉冲。

该模块的运放用的是LM358,介绍其相关资料：
该模块管脚及原理图见图8.图9
图8 LM358管脚图图9 电平比较与检测电路
延时控制电路3.1.4
555当有物体移动使会产生一个负脉冲触发后面的单稳电路。

该模块采用定时器分别实现定555定时器构成单稳电路来实现延时和定时的目的。

采用两个IC3 的脉冲信号取反后与脚输出20SIC2 NE555的320S时和140S，然后将，将分钟的
定时报延时后，2脉冲信号相与，就可以实现3脚输出的140S20SNE555
脚接按键，当需要切除警报时，按下该键复位即可实现。

先介绍的4警。

在IC310 555构成单稳电路的原理，见图下
10 555构成单稳电路图时，比较器2VCC/3充电，当uc上升到通过VCC后瞬间，VCCR对C 接通放电，TC通过。

这时Q=1，放电管T导通，＝C1输出为0，将触发器置0，uo00uo又由0，触发器置1，VCC/3电路进入稳态。

ui到来时，因为ui＜，使C2＝充电。

C经R对T变为1，电路进入暂稳态。

由于此时Q=0，放电管截止，VCCuc，但充电继续进行，直到的输出变为1虽然此时触发脉冲已消失，比较器C2导通，0T＝0，电路输出uo，将触发器置时，比较器上升到2VCC/3C1输出为0tp=1.1RC.
放电，电路恢复到稳定状态。

脉冲宽度C：有人进入时产生一个负的触发脉冲，触发定时器11该模块的时序图如图内按20S若在2内若未解除警报，在20S产生延时，20S则产生分钟定时报警；复位键解除警报，则不会触发声光报警电路。

Vtk
Vo2
Reset
Vo3
延时控制电路的时序图图 11
所示：该模块的原理图如图12
图12 延时控制电路原理图
3.1.5 声光报警电路
该模块用555构成多谐振荡器来产生的方波信号来驱动发光二极管和扬声器，从而实现声、光报警。

555的复位脚是由2分钟的定时信号来控制的，当2分钟未到时，复位脚未高电平正常工作，当时间到后，复位脚为低电平，停止工作。

该模块的原理图如图13所示：
图13 声光报警原理图
3.2 单元模块的连接关系
模块2，模块3依次相连，将模块3的输出作为模块4触发脉冲输入端的信。

脚复位端即可连接完毕的4号，将模块的最后输出信号连接到模块5
第四章参数计算与调试
根据555定时器产生的单稳态脉冲宽度为tp=1.1RC,定时20S和120S，通过计算可知，模块4中的电阻在IC2中R=200K，C=100uF,在IC3中R=1.2M,C=100Uf,而模块1和模块5中用到的多谐振荡器的频率有公式：F=1.433/(RA+RB)*C计算。

超声波发射器和接收器在安装上必须注意，它们之间必须保持弹性联接，而不要钢性固定。

避免发射波直接通过钢性联接传到接收器件。

电路中有3个电位器VR，VR1用来调节发射电路的振荡频率，调节VR1，使其达到最大值，此时VR1最好应停在中间位置。

第五章 FM/AM式收音机的组装
5.1 收音机原理
kHz43.?f0.3~
无线电广播发射原理框图1—1 图调制的作用： 5.1.2、声音信号都是一样的，如果不处理就向空中发射，则所有电台的声音信 1
因此必须利用调制将不同信号号将混在一起，将互相干扰变成杂音而无法接收。

调制的不同频段上。

、低频电磁波传输距离不如高频电磁波，且要求较长的发射天线。

通过调2
制可以将低频信号变为高频信号。

．
?4?L发射天线长度与波长的关系：
、调幅（AM）
信号的调制方式调频（FM）无线广播采用
调相（PM）
：
调幅（幅度调制）基本原理： 5.1.3
调幅: 是使高频载波信号的振幅随调制信号的瞬时变化而变化。

也就是说，通过用调制信号来改变高频信号的幅度大小，使得调制信号的信息包含入高频信号之中，通过天线把高频信号发射出去，然后就把调制信号也传播出去了。

5.1.4 调频的基本原理
所谓调频，就是使载波的瞬时频率随调制信号的规律而变化。

从调频波形可见，调频波振幅保持不变，
调频波的频率跟随信号的变化规律而改变。

5.2 集成电路收音机电路与分析
本实训中的收音机的是高灵敏AM/FM教学收音机，收音机电路主要由日本索尼公司生产的专为调频、调幅收音机设计的大规模集成电路CD1961CB组成。

由于集成电路内部无法制作电感、大电容和大电阻，故外围元件多以电感、电容和电阻为主，组成各种控制、供电、滤波等电路。

5.3 焊接过程与方法
（1）焊前处理步骤
焊接前，应对元器件引脚或电路板的焊接部位进行处理，一般有“刮”、“镀”、“测”三个步骤：
“刮”：就是在焊接前做好焊接部位的清洁工作。

一般采用的工具是小刀和细
砂纸，对集成电路的引脚、印制电路板进行清理，去除其上的污垢，清理完后一般还需要往待拆元器件上涂上助焊剂。

“镀”：就是在刮净的元器件部位上镀锡。

具体做法是蘸松香酒精溶液涂在刮净的元器件焊接部位上，再将带锡的热烙铁头压在其上，并转动元器件，使其均匀地镀上一层很薄的锡层。

“测”：就是利用万用表检测所有镀锡的元器件是否质量可靠，若有质量不可靠或已损坏的元器件，应用同规格元器件替换。

（2）焊接步骤
做好焊前处理之后，就可进行正式焊接。

不同的焊接对象，其需要的电烙铁工作温度也不相同。

判断烙铁头的温度时，可将电烙铁碰触松香，若有“吱吱”的声音，说明温度合适；若没有声音，仅能使松香勉强熔化，则说明温度太低；若烙铁头一碰上松香就大量冒烟，则说明温度太高。

一般来讲，焊接的步骤主要有三步：
（1）烙铁头上先熔化少量的焊锡和松香，将烙铁头和焊锡丝同时对准焊点。

（2）在烙铁头上的助焊剂尚未挥发完时，将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点，开始熔化焊锡。

（3）当焊锡浸润整个焊点后，同时移开烙铁头和焊锡丝。

焊接过程一般以2～3s为宜。

焊接集成电路时，要严格控制焊料和助焊剂的用量。

为了避免因电烙铁绝缘不良或内部发热器对外壳感应电压而损坏集成电路，实际应用中常采用拔下电烙铁的电源插头趁热焊接的方法。

电烙铁虚焊及其防治方法
焊接时，应保证每个焊点焊接牢固、接触良好，锡点应光亮、圆滑无毛刺，锡量适中。

锡和被焊物熔合牢固，不应有虚焊。

所谓虚焊，是指焊点处只有少量锡焊住，造成接触不良，时通时断。

为避免虚焊，应注意以下几点：
（1）保证金属表面清洁
应在焊接之前用刀刮或砂纸污垢或氧化物，若焊件和焊点表面带有锈渍、
磨，直至露出光亮金属，才能给焊件或焊点表面镀上锡。

（2）掌握温度为了使温度适当，应根据元器件大小选用功率合适的电烙铁，并注意掌
握加热时间。

若用功率小的电烙铁去焊接大型元器件或在金属底板上焊接地线，易形成虚焊。

烙铁头带着焊锡压在焊接处时，若移开电烙铁后，被焊处一点焊锡不留
或留下很少，则说明加热时间太短、温度不够或被焊物太脏；若移开电烙铁前，焊锡就往下流，则表明加热时间太长，温度过高。

）上锡适量（ 3使焊锡足够包裹住被焊物，根据所需焊点的大小来决定烙铁蘸取的锡量，
但须待前次上的若一次上锡不够，可再补上，形成一个大小合适且圆滑的焊点。

锡一同被熔化后再移开电烙铁。

（4）选用合适的助焊剂
助焊剂的作用是提高焊料的流动性，防止焊接面氧化，起到助焊和保护
比较好的助焊剂是松香酒精应尽量避免使用焊锡膏。

作用。

焊接电子元器件时，溶液，焊接时，在被焊处滴上一点即可。

第六章Protel99 基础教程
①建立.ddb文件库
②定义.ddb文件
元件库绘制选项③
PCB封装绘制④
第七章设计总结与体会
通过本次的课程设计，我充分的了解的到了以下几点：
1、我们仅仅满足于课堂上学习的内容是完全不够的，我们需要去更多的更主动的去学习课外的一些知识，与查询课外书籍才能够将学到的知识充分的运用起来。

2、单纯的学习是一回事，应用又是另一回事，设计一个电路远远比我想象中要困难的多。

通过查阅各种资料，同时参考其他的设计与询问相关信息。

我才设计出了上述电路。

3、我的设计在元件的参数选择上还存在着很多明显的不足，主要是由于我本身带的能力所限，不能做到尽善尽美。

4.通过此次实习我掌握了一些画图的技巧，认真的按照老师对于Protel
99se软件的介绍来画原理图，同时也提高了自己的画图速度，在画图的过程中，也不可避免有了一些麻烦，如设计元器件时新建文件类型错误，或忘了备份，造成画元件时会把画好的元件覆盖，但发现这些问题，进行纠正，正是我们提高的源泉，我会继续努力，加强这方面的学习。

通过此次的的课程设计，我可以明确的感觉到了自己的提升与进步。

最后感谢指导老师在我制作过程中孜孜不倦的各种帮助。

参考文献
[1] 陈明义等.电子技术课程设计实用教程.第3版.长沙.中南大学出版社.2009年
[2] 郁有文等.传感器原理及工程应用[M].西安.电子科技大学出版社.2008年.
[3] 陈有卿.实用555时基电路300例[M].北京.中国电力出版社.2005年
[4] 赵熹华.焊接方法与机电一体化.机械工业出版社.2003年（电子版）
[5] 李卫兵.555定时器电路的等效分析与Pspice仿真[J].滨州学院学报.2004年04期）pdf （．
附录一：超声波防盗报警器总设计图
附录二：收音机电路图及PCB版设计图。