超聲波報(bào)警器的設(shè)計(jì)與制作

此款超聲波報(bào)警電路能精確測量入侵物的距離。因?yàn)槁暡▊鬏斔俣让棵?40m，光波傳輸每秒3×l0（5）km，從發(fā)射到1m外的物體反射到接收，聲波經(jīng)過時(shí)間約5.9ms，用周期l00ns電脈沖來計(jì)數(shù)，含有59000個(gè)脈沖。同樣距離光只需6.6ns。

比一個(gè)TTL門電路的傳播延遲要15ns小一半?？梢娪寐暅y短距離比光容易。

主要元器件：發(fā)射器部分主要有集成電路74HC04、74HC00各一塊，超聲發(fā)射傳感器MA40S2S一個(gè)。接收器部分主要有集成電路TL084、74HC74各一塊，超聲接收傳感器MA40S2R一個(gè)。兩部分合裝在一塊印制板上。超聲傳感器的結(jié)構(gòu)如下圖，就像一個(gè)縮小的壓電陶瓷片，尺寸小了，諧振頻率就高了。頻率高到20kHz以上，人耳就聽不見了，這就是超聲。市售的超聲傳感器常常用在38—40kHz。為了加強(qiáng)收發(fā)能力，在陶瓷片前加一個(gè)喇叭狀共振振子，原理就像喊話的喇叭筒一樣。圖示是市售常見的開放型的，在喇叭振子前有一個(gè)開孔的外罩。因?yàn)榭椎某叽邕h(yuǎn)遠(yuǎn)小于超聲波波長，外罩對聲波的阻擋作用很小。還有一種防滴漏型超聲傳感器，外殼密封，陶瓷片按裝在外殼內(nèi)側(cè)。后者的效率不如前者。超聲傳感器的阻抗是電容型的，電容量約1600pF，單用一個(gè)CMOS門驅(qū)動力不足，一般用2-3個(gè)門并聯(lián)驅(qū)動。

工作原理：如上圖和下圖所示。發(fā)射頭發(fā)出一束40kHz的超聲波，其持續(xù)時(shí)間T1小于1ms而間隔時(shí)間達(dá)幾十毫秒。如果在1m內(nèi)有人存在，人體吸收了一部分波，反射了一部分波，發(fā)射波到達(dá)接收頭要延遲兩個(gè)l/340s約5.9ms。和發(fā)射同步產(chǎn)生一個(gè)“一米限制脈沖”，其脈沖寬度為T2=T1+5.9ms，在T2為高期間，有回波，說明人在1m線內(nèi)，過了T2高電平期間，即使有回波，就是人在1m以外，不能啟動報(bào)警。D觸發(fā)器正好有這個(gè)功能，將“一米限制脈沖”作為D輸入，“回波”作為CP，CP上升期間D輸入送到Q。圖中回波信號1使Q=l，回波信號2使Q=0。

發(fā)送器電路分析如下圖所示。U1為6反相器74HC04，UU，U1_2構(gòu)成CMOS多諧振蕩器，為了做到輸出不對稱，b點(diǎn)低電平使的充電回路和b點(diǎn)高電平使的放電回路有差別，a高b低，經(jīng)過D1，W1，C1充電快。a低b高，經(jīng)過R2，W1，C1放電慢。a點(diǎn)波形符合“一米限制脈沖”。調(diào)整W1，使其正脈寬為6.6ms左右。

當(dāng)b點(diǎn)正沖超過VCC+0.7V或負(fù)沖低于-0.7V，CMOS輸入寄生二極管有電流且鉗制電壓0.7V，加快充放電時(shí)間，見下圖右上角國內(nèi)輸入等效圖。電源電壓越高，正負(fù)沖越大，電源電壓波動會影響振蕩頻率，串入R1，輸入寄生二極管的電流大大減小，減少了電源電壓對頻率的影響。

從a點(diǎn)的波形中取出前0.7ms成為波形e。第一步，a反相得c，第二步，C3，R3組成微分電路。C3把c的上升，下降的突變傳輸?shù)経1_3的第5腳。R3已將5腳拉高。上升突變對U1_3不起作用，下降突變5腳變低使U1_3反轉(zhuǎn)，VCC通過R3對C3充電，經(jīng)過約0.693×R3×C3時(shí)間回到5腳高。見下圖中波形d。第三步，d反相整形得e：低電平多，高電平是窄脈沖。

40kHz振蕩器；U1_6，U1-5構(gòu)成CMOS多諧振蕩器，W7調(diào)整頻率到40kHz。R4的作用是減少電源電壓波動影響，C1，C4不能用溫度系數(shù)大的CT型瓷介電容，最好用CB型聚苯乙烯電容。為什么不能用信號e控制40kHz脈沖振蕩器，而要先做連續(xù)振蕩，然后再通過U2調(diào)制？因?yàn)镃MOS多諧振蕩器起振階段不穩(wěn)定，而信號e只有0.7ms很窄。總共28個(gè)脈沖。還沒有穩(wěn)定就叫停了。波形很不好。

超聲驅(qū)動級。根據(jù)參數(shù)，超聲發(fā)送頭最大驅(qū)動電壓可加20多伏，在SV系統(tǒng)為了提高輸出功率的方案為：

1．晶體管驅(qū)動，用輸出變壓器升壓方案；2.CMOS門電路雙相驅(qū)動。如果一個(gè)驅(qū)動門單端輸出到超聲頭，最大的峰-峰值是Vcc，用輸入信號相位相反的兩個(gè)門雙相驅(qū)動超聲頭，一會兒是j高k低，一會兒是j低k高，等效峰-峰值是2×Vcc。電壓升2倍，輸出功率提高4倍。本設(shè)計(jì)用方案2。U2有4個(gè)門，兩兩并聯(lián)。當(dāng)信號e為0，4個(gè)門統(tǒng)統(tǒng)輸出1，Z1兩端電位相同，起阻尼作用，制止Z1因慣性的振蕩輸出。信號e為1，U2上兩門和下兩門的輸入信號是相反的，輸出j，k。見下圖右側(cè)圈內(nèi)的波形。

接收器電路分析：接收頭信號峰-峰值約10mV，設(shè)計(jì)放大150倍，放大器末級輸出峰-峰值l.5V，R18/R19+W3分壓的直流電平為：1.25~2.4V，啟動D觸發(fā)器CP電平是2.5V，所以所需的附加交流脈沖信號的峰-峰值為1.5~0.lV（最不靈敏到最靈敏），調(diào)節(jié)范圍很寬。W3不能調(diào)到太靈敏。靈敏度太高，多次反射的回波或雜波輸入引起誤動作。

因?yàn)樽鲈谝粔K板上，通過電路板，發(fā)射頭Z1的振動會傳到接收頭22，而且信號很大。晶體管VT1在發(fā)射周期脈沖為1時(shí)導(dǎo)通，短路22.信號過不來。R20/R21分壓1NCC，輸入到AL3的10腳，AL3的8、9腳短接形成跟隨器，輸出低內(nèi)阻的中心電壓vs。這種辦法比用2個(gè)1K電阻分壓得VS好得多。C19起高頻旁路作用。L1起電源退耦作用，A1:TL084的第4腳，U3:74HC74的14腳接到Vccr端。U3的不用輸入端一律也接Vccr端。

5倍增益選頻放大器。選用TL084，其引線與324相同，增益帶寬積是324的3倍?！?5V電源時(shí)為3MHz．單5V時(shí)超過500kHz。40kHz最大增益12.5倍，現(xiàn)在做5～6倍沒有問題。大家知道：反饋電阻RF．反相端輸入電阻RI，如果信號從同相端輸入，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為K=1+RF/RI;反相端輸入，K：-RF/RI.上圖中，反饋?zhàn)杩篂椴⒙?lián)的213、215、217，輸入阻抗為串聯(lián)的212、214、216，ωc=R時(shí)，213=5x212，215=5×214，216=5×217，K分別為6，-5，-5。如何計(jì)算阻抗除阻抗，可以用復(fù)數(shù)的阻抗運(yùn)算，以第一級為例，用矢量圖解法非常直觀，見下圖。

當(dāng)ωc=R時(shí)，OAB是一個(gè)等腰三角形，串聯(lián)阻抗是對角線，并聯(lián)阻抗是中高。直觀看出，串聯(lián)阻抗=2×并聯(lián)阻抗，如①所示。

頻率升高，當(dāng)ωc2×中高。串聯(lián)阻抗》2x并聯(lián)阻抗，如②所示。

頻率降低，當(dāng)ωc》R時(shí)，OAB是一個(gè)斜三角形，對角線》2×中高。串聯(lián)阻抗》2×并聯(lián)阻抗，如③所示。

R13、C13并聯(lián)，當(dāng)ωc=R，等效R13/2、C13/2串聯(lián)。

參考①的虛線。由此得出：213=5×212，放大倍數(shù)為K=1+213/212=6。

當(dāng)頻率升高，由②看出，并聯(lián)阻抗213小于1/2x（R13-jωC13），213/212小于5，定性看，C13阻抗減小反饋?zhàn)饔迷龃螅鲆鏈p小。當(dāng)頻率降低，由③看出，并聯(lián)阻抗213小于1/2×（R13-j（I）C13），213/212小于5，定性看串聯(lián)的C12阻抗增大，反饋增大，增益減小。

由于回路的Q很低，電阻電容的誤差在5%內(nèi)，對接收器增益影響不明顯。比起高Q的帶通濾波器來說，這個(gè)電路制作調(diào)試比較容易。

1m距離判斷電路。U3是一塊雙D觸發(fā)器，這里用其中1/2。R、S端接固定高電平，不起作用。當(dāng)持續(xù)有一串回波信號加到U3的CP端時(shí)，從第一個(gè)到最后一個(gè)脈沖上升時(shí)間D的狀態(tài)都影響Q輸出，小于1m，D高，Q輸出恒高，剛剛超過1m，Q有零點(diǎn)幾毫秒的高長時(shí)間為低，以最后一個(gè)回波脈沖時(shí)D的狀態(tài)為持續(xù)電平。遠(yuǎn)大于1m，Q輸出恒低。調(diào)整U3的3腳偏置直流電平，可以調(diào)整靈敏度。調(diào)節(jié)發(fā)射器的W1，改變信號a的正脈寬，可以調(diào)準(zhǔn)到1m。

安裝調(diào)整。布局主要注意把發(fā)射，接收分開。元件較少，布局布線不難實(shí)施。先不裝22。在調(diào)試前先按下圖做一個(gè)簡易毫伏計(jì)。接到數(shù)字電壓表的DC200mV檔（或2V檔）。數(shù)字表讀數(shù)就是交流信號有效值。測出U1、U2各腳都有輸出。

將U13第5腳和地短路。即信號d短路地，信號e恒高。對ZI施加40kHz的連續(xù)波。將22口對口對準(zhǔn)Z1，用毫伏計(jì)測接收頭的信號電壓。調(diào)整W2，使輸出電壓最大。

安裝22到接收器輸入端。取消信號d短路。用一本雜志形成超聲反射。由近開始逐步加大距離，毫伏表測Al的各輸出端信號。1米處A1_4的14腳有35mV，就是l00mV峰-峰值了?？紤]到自制毫伏表的損耗。讀數(shù)會偏小一點(diǎn)。

在U3的第5腳接一個(gè)LED，串1K電阻接地。調(diào)W3，使靈敏度較高，然后，調(diào)W2，校準(zhǔn)l米內(nèi)雜志反射超聲使LED亮，過1m分別調(diào)W3，W2，使LED不亮。本警報(bào)器就調(diào)成了。