超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究

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1、超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究I超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究摘摘 要要隨著社會(huì)不斷的發(fā)展，尤其是在電子產(chǎn)品迅速發(fā)展的今天，利用超聲波自動(dòng)控制燈光，不但消除了晚上摸黑找不到開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，用在公共場(chǎng)合還可以最大限度的節(jié)約電能。更加有優(yōu)勢(shì)的是，超聲波感應(yīng)不用人發(fā)出任何動(dòng)靜，人只要進(jìn)入系統(tǒng)的檢測(cè)范圍內(nèi)，系統(tǒng)就會(huì)接通電路，也不用擔(dān)心還沒(méi)離開(kāi)燈就滅了，這是聲控?zé)艄鉄o(wú)法比擬的。本課題首先分析了超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的工作原理與組成，對(duì)系統(tǒng)各部件進(jìn)行分析和參數(shù)說(shuō)明，搭建了硬件平臺(tái)。其次，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。再次，以不同的物體靠近系統(tǒng)進(jìn)行感應(yīng)，通過(guò)超聲波感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了電路的自動(dòng)感應(yīng)控制，以不同的工作亮度環(huán)境，通過(guò)光敏

2、電阻的感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了白天黑夜的感應(yīng)控制。在晚上或亮度不夠的白天，系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)啟，然后根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的控制。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；超聲波感應(yīng)；電容延時(shí)；節(jié)能系統(tǒng) 超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究IIAUTOMATIC ULTRASONIC SYSTEM OF LIGHTS ABSTRACTAs society continues to develop, especially in the rapid development of electronic products today, the use of ultrasonic automatic control of lighting, not only

3、can not find the switch to eliminate the shortcomings of the dark night, with the maximum in public places can also be energy savings. More advantage is that ultrasonic sensors do not give any movement of people, who enter the systems detection range, the system will be connected to the circuit, do

4、not worry about not leave the lights went out, which is voice-activated lights can not match.The first analyzes the subject of automated ultrasonic system works out the light and composition, analysis of system components and parameters, so set up the hardware platform. Secondly, the system carried

5、out a series of experiments. Again, different objects near the sensor system, achieved through the ultrasonic sensor automatic sensor control circuit, the brightness in different working environment, achieved through the induction photoresistor sensor control of the night and day. Bright enough at n

6、ight or during the day, the system will open, and then detected the corresponding control signals.Keywords: Automatic control；ultrasonic sensors；Capacitance delay；Energy Saving System 目 錄摘 要.IABSTRACT.II第一章緒 論 .11.1 超聲波概述.11.2 超聲波傳感器.21.3 超聲波傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀.31.4 超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值.41.5 本章小結(jié).4第二章硬件系統(tǒng) .52.1 超聲波系統(tǒng)

7、.52.1.1 超聲波及其物理性質(zhì) .52.1.2 超聲波系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) .72.2 外圍電路.82.3 系統(tǒng)流程.102.4 硬件系統(tǒng)的功能介紹.112.5 本章小結(jié).12第三章元件參數(shù)及功能 .143.1 元件的參數(shù).143.1.1 超聲波模塊 .143.1.2 其他元件 .163.2 元件的功能.243.3 本章小結(jié).25第四章實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)性能 .264.1 實(shí)驗(yàn).264.2 性能參數(shù).274.3 本章小結(jié).27第五章總結(jié) .285.1 總結(jié).285.2 展望.29參考文獻(xiàn).30致 謝.311第一章緒 論1.1 超聲波概述超聲波是聲波大家族中的一員，聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形

8、式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過(guò)空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動(dòng)頻率大于 20KHz 以上的，人在自然環(huán)境下無(wú)法聽(tīng)到和感受到的聲波。圖 11 超聲波超聲波的發(fā)展史：自 19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。1922 年，德國(guó)出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。1939 年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道。40 年代末期超聲治療在歐美興起，直到 1949 年召開(kāi)的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué)超

9、聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1956 年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階段。國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于 20 世紀(jì) 50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開(kāi)展超聲治療工作，從 1950 年首先在北京開(kāi)始用 800KHz 頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至 50 年代開(kāi)始逐步推廣，并有了國(guó)產(chǎn)儀器。公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道始見(jiàn)于超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究21957 年。到了 70 年代有了各型國(guó)產(chǎn)超聲治療儀，超聲療法普及到全國(guó)各大型醫(yī)院。40 多年來(lái)，全國(guó)各大醫(yī)院已積累了相當(dāng)數(shù)量的資料和比較豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。特別是 20 世紀(jì) 80 年代

10、初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。如今已在國(guó)際范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。高強(qiáng)度聚焦超聲無(wú)創(chuàng)外科，已使超聲治療在當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)中占據(jù)重要位置。而在 21 世紀(jì)(HIFU)超聲聚焦外科已被譽(yù)為是 21 世紀(jì)治療腫瘤的最新技術(shù)。超聲波的特點(diǎn)：1、超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 2、超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。3、超聲與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)） 。超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如 B超等用作診斷） ；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通

11、過(guò)與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療） 。 1.2 超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔?/p>

12、轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。 超聲波傳感器由發(fā)送傳感器（或稱波發(fā)送器） 、接收傳感器（或稱波接收器） 、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中幅射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè)?？刂撇糠种饕獙?duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。3 圖 1-2 超

13、聲波傳感器1.3 超聲波傳感器的應(yīng)用現(xiàn)狀 超聲波傳感器包括三個(gè)部分：超聲換能器、處理單元和輸出級(jí)。首先處理單元對(duì)超聲換能器加以電壓激勵(lì)，其受激后以脈沖形式發(fā)出超聲波，接著超聲換能器轉(zhuǎn)入接受狀態(tài)，處理單元對(duì)接收到的超聲波脈沖進(jìn)行分析，判斷收到的信號(hào)是不是所發(fā)出的超聲波的回聲。如果是，就測(cè)量超聲波的行程時(shí)間，根據(jù)測(cè)量的時(shí)間換算為行程，除以 2，即為反射超聲波的物體距離。把超聲波傳感器安裝在合適的位置，對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物變化方向發(fā)射超聲波，就可測(cè)量物體表面與傳感器的距離。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，

14、即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。 超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無(wú)任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽

15、命長(zhǎng)；（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無(wú)滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。 超聲測(cè)距大致有以下方法：取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 （其幅值基本固定）與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，故被測(cè)距離為 S=1/2vt。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測(cè)距適用于高精度超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究4的中長(zhǎng)距離測(cè)量。1.4 超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值在現(xiàn)代的社會(huì)里，電能是應(yīng)用很廣泛的能源之一，然而全球的能源問(wèn)題很嚴(yán)峻，電力供應(yīng)也很緊張，節(jié)約用電成了一件迫在眉睫的事情。在很多場(chǎng)合并不需要連續(xù)不斷的用電，比如紀(jì)念館、樓道等等，這些地方只需有人

16、經(jīng)過(guò)的時(shí)候通電就可以了。超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)通過(guò)超聲波傳感器感知移動(dòng)物體的靠近而接通控制電路，然后控制繼電器的吸合而接通負(fù)載電路，這樣不僅克服了聲控電路因外界錯(cuò)誤信號(hào)（如燃放鞭炮、煙花的聲音）而接通電路的弊端，而且做到了節(jié)約用電的要求。1.5 本章小結(jié)本章主要從超聲波的特性出發(fā)，討論了超聲波的發(fā)展史，討論了超聲波傳感器的原理與特點(diǎn)，并由此總結(jié)了超聲波傳感器在生產(chǎn)生活各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用。 5第二章硬件系統(tǒng)2.1 超聲波系統(tǒng)2.1.1 超聲波及其物理性質(zhì)振動(dòng)在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波動(dòng)，簡(jiǎn)稱波。頻率在 16020KHz 之間， 能為人耳所聞的機(jī)械波，稱為聲波；低于 16 Hz 的機(jī)械波，稱為次聲波；高

17、于20KHz 的機(jī)械波，稱為超聲波。如圖 2-1。 當(dāng)超聲波由一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，在介質(zhì)面上會(huì)產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。次聲波聲波超聲波微波音樂(lè)語(yǔ)言探測(cè)0.2510620106101102103104105106107Hz圖 21 聲波的頻率界限圖超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同。通常有：1、縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波；超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究62、橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；3、表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于橫波與縱波之間，沿著表面?zhèn)鞑サ牟ā?橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體、液體和

18、氣體中傳播，表面波隨深度增加衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量，應(yīng)多采用縱波?？v波、橫波及其表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)密度，氣體中聲速為 344 m/s，液體中聲速在 9001900 m/s。當(dāng)縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時(shí)，除有縱波的反射、折射外，還發(fā)生橫波的反射和折射，在某種情況下，還能產(chǎn)生表面波。超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分聲波被反射，另一部分透射過(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射，如圖 2-2 所示。 圖 22 超聲波的反 射和折射由物理學(xué)知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入

19、射角 的正弦與反射角 7的正弦之比等于波速之比。當(dāng)波在界面處產(chǎn)生折射時(shí)，入射角 的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速 C與折射波在第二介質(zhì)中的波速 C2之比，即=sinsin21CC超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，其衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。 其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為 Px= P0e-x （102）Ix= I0e-2x （103）式中：Px、Ix距聲源 x 處的聲壓和聲強(qiáng)； x聲波與聲源間的距離； 衰減系數(shù)， 單位為 np/m（奈培/米） 。 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，能量的衰減決定于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收，在理想介質(zhì)中，聲波的

20、衰減僅來(lái)自于聲波的擴(kuò)散，即隨聲波傳播距離增加而引起聲能的減弱。散射衰減是固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子使聲波散射。吸收衰減是由介質(zhì)的導(dǎo)熱性、粘滯性及彈性滯后造成的，介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)換為熱能。 2.1.2 超聲波系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)超聲波系統(tǒng)的信息探測(cè)過(guò)程包含超聲波產(chǎn)生、傳輸、反射、接收反射信號(hào)等環(huán)節(jié)。一個(gè)超聲波系統(tǒng)通常由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、信息處理系統(tǒng)和執(zhí)行裝置等組成。簡(jiǎn)單的超聲波系統(tǒng)組成如圖 23 所示。超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究8產(chǎn)生超聲波傳輸遇到障礙物反射接收超聲波信息處理圖 23 超聲波系統(tǒng)工作原理圖超聲波的產(chǎn)生：在超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)工作狀態(tài)下，該環(huán)節(jié)不斷的發(fā)出超聲波信號(hào)，是

21、超聲波系統(tǒng)工作的起點(diǎn)，對(duì)整個(gè)超聲波系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。本設(shè)計(jì)在這個(gè)環(huán)節(jié)使用的是 T-40XX 型超聲波傳感器。超聲波的傳輸：在本設(shè)計(jì)中超聲波的傳播介質(zhì)是空氣，產(chǎn)生超聲波后，就要將超聲波傳輸出去，超聲波在空氣中傳輸直到完全衰減。超聲波的反射：超聲波在有效的感應(yīng)范圍內(nèi)遇到障礙物（本設(shè)計(jì)中是人）就會(huì)反射回去，這是超聲波感應(yīng)的必然動(dòng)作。超聲波的接收：超聲波經(jīng)過(guò)以上的一系列動(dòng)作，把有效地超聲波信號(hào)反射回來(lái)，由超聲波接收器接收，將聲超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這里用的是 R-40XX 型超聲波傳感器信息的處理：這一環(huán)節(jié)就是將感應(yīng)的結(jié)果分析出來(lái)，為電路的接通提供依據(jù)，也就是感應(yīng)到人的靠近后將電路接通的動(dòng)作，

22、主要是繼電器的動(dòng)作。本設(shè)計(jì)用的是歐姆龍公司的 G6C 型繼電器。2.2 外圍電路超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)在上一節(jié)中已經(jīng)介紹了，就是超聲波系統(tǒng)，除了超聲波系統(tǒng)外，課題還包含了其他外圍的輔助電路，主要是延時(shí)電路和控制電路等。延時(shí)電路用的是電容放電延時(shí)的方法，控制電路主要是繼電器控制電路。在眾多的電器設(shè)備及電子測(cè)量?jī)x器中，RC 電路得到了廣泛的應(yīng)用。例如：在單穩(wěn)電路用它調(diào)整輸出波形的寬度，在鋸齒波發(fā)生器、R C 正弦波振蕩器、9多諧振蕩器中，RC 電用以調(diào)節(jié)它們的振蕩頻率，在延時(shí)繼電器中，則是由 RC電路決定其延遲時(shí)間的長(zhǎng)短。對(duì)于如圖 24 所示的 RC 串聯(lián)電路，在有關(guān)電路理論的教科書(shū)中，多以

23、此為例。UcURRCEK圖 24 RC 電路Eu，iAUc放電曲線tURi-E/R0圖 25 電容放電曲線-E超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究10 u，iUC充電曲線it0E0.63EE/RUR圖 26 電容充電曲線電容放電延時(shí)電路即 RC 延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間可通過(guò)電阻或電容的大小來(lái)調(diào)整，但由于延時(shí)電路簡(jiǎn)單，存在著延時(shí)時(shí)間短和精度不高的缺點(diǎn)。對(duì)于需要延時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)并且要求準(zhǔn)確的場(chǎng)合，應(yīng)選用時(shí)間繼電器為好。2.3 系統(tǒng)流程系統(tǒng)中的超聲波傳感器感知到人員的靠近，接通控制電路，然后控制電路控制負(fù)載電路接通，當(dāng)超聲波傳感器沒(méi)有接收到反射回來(lái)的超聲波，控制電路將進(jìn)入延時(shí)階段，直到延時(shí)結(jié)束還沒(méi)有感知到人員靠近，電路被

24、切斷，系統(tǒng)流程如圖 27 所示。11開(kāi)始有人？接通電路離開(kāi)？斷開(kāi)電路延時(shí)NYN25s25sY圖 27 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在接通電源的狀態(tài)下，超聲波傳感器就不斷對(duì)外發(fā)射超聲波信號(hào)，系統(tǒng)不斷判斷有沒(méi)有人靠近，若系統(tǒng)沒(méi)有接收到反射回來(lái)超聲波信號(hào)，系統(tǒng)將繼續(xù)它的判斷，直到系統(tǒng)接收到超聲波信號(hào)，即確定有人靠近，系統(tǒng)馬上接通電路。電路接通后，系統(tǒng)將根據(jù)超聲波信號(hào)有沒(méi)有消失判斷人有沒(méi)有離開(kāi)，若人沒(méi)有離開(kāi)超聲波感應(yīng)范圍，系統(tǒng)將繼續(xù)判斷人有沒(méi)有離開(kāi)，一旦系統(tǒng)確定人已經(jīng)離開(kāi)，系統(tǒng)即進(jìn)入延時(shí)接通電路階段。在延時(shí)接通電路階段若延時(shí)還沒(méi)結(jié)束又有人進(jìn)入感應(yīng)范圍內(nèi)，系統(tǒng)將從接通電路開(kāi)始順序向下再運(yùn)行一次，若直到延時(shí)結(jié)束還

25、沒(méi)有人來(lái)，系統(tǒng)將斷開(kāi)電路，然后系統(tǒng)又重復(fù)以上的工作過(guò)程。超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究12系統(tǒng)在白天光線充足的時(shí)候不會(huì)因?yàn)槿藛T的靠近而接通電路，只有當(dāng)光線不足，且有人員靠近時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)接通電路，如圖 28 所示。圖 28 系統(tǒng)運(yùn)行示意圖2.4 硬件系統(tǒng)的功能介紹該系統(tǒng)最主要的功能就是要能感應(yīng)到人員的靠近，首先該系統(tǒng)需要通過(guò)超聲波傳感器感知人員的靠近，然后才能進(jìn)行下一步動(dòng)作。超聲波感應(yīng)這個(gè)模塊在整個(gè)超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的研究過(guò)程中占有很重要的地位，只有超聲波傳感做的好，才可能完成后面的電路的接通。因此本系統(tǒng)中所要完成的主要功能如下所述：超聲波感應(yīng)功能：該模塊主要是通過(guò)超聲波傳感器發(fā)出超聲波來(lái)探測(cè)人員的靠近

26、，為電路的接通提供信息，實(shí)現(xiàn)此功能的模塊由 T-40XXR-40XX 型超聲波傳感器組成。接通電路的功能：該模塊主要是接受傳感器感知到人員的靠近這一信息，然后通過(guò)繼電器接通電路，達(dá)到控制的目的，實(shí)現(xiàn)此功能的器件是歐姆龍公司的 G6C 型繼電器。延時(shí)功能：該模塊主要是通過(guò)電容的儲(chǔ)能，然后靠電容放電達(dá)到對(duì)電路工作的延時(shí)，延時(shí)電路本設(shè)計(jì)中使用的是 RC 型延時(shí)電路。變壓功能：該模塊是通過(guò)變壓器降壓為系統(tǒng)提供較小的工作電壓，本設(shè)計(jì)中用的是 TOYODEN 公司的 HT1203 型變壓器進(jìn)行變壓。穩(wěn)壓功能：該模塊通過(guò)穩(wěn)壓器為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的工作電壓，在本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)此功能的器件是 LM317T 型 3 端穩(wěn)

27、壓器。13超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)電路如圖 29 所示D1ADJINOUT0.5FT變壓器C133025V2240C21010V1KBEF墻壁1001RL1C322016Tr2SD560151911AC100VVR15k圖 29 超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)2.5 本章小結(jié)本章主要從超聲波的性質(zhì)和超聲波傳感器出發(fā)，討論了超聲波的物理性質(zhì)，討論了超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的硬件組成及其硬件系統(tǒng)功能，討論了超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的流程，從總體上介紹了本課題的設(shè)計(jì)，為下一章超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)具體元件參數(shù)的介紹提供了硬件基礎(chǔ)。在下一章中，將具體介紹超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的元件參數(shù)以及功能等內(nèi)容。SW1IC1 LM317T超聲

28、波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究14第三章元件參數(shù)及功能本系統(tǒng)使用到的元器件有：超聲波傳感器、穩(wěn)壓器、變壓器、橋式二極管、可變電阻、電阻、光敏電阻、電容器、晶體管、繼電器等。153.1 元件的參數(shù)3.1.1 超聲波模塊在本設(shè)計(jì)中超聲波模塊使用的是 HTBEF2002 型超聲波傳感器，BEF 系列超聲波距離傳感器，采用超聲波回波測(cè)距原理，運(yùn)用精確的時(shí)差測(cè)距技術(shù)來(lái)檢測(cè)物體的存在。運(yùn)用該型超聲波傳感器，具有測(cè)量準(zhǔn)確、無(wú)接觸、防水、防腐蝕、和低成本等優(yōu)點(diǎn)。表 3-1 HTBEF2002 型超聲波傳感器主要技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)距離2m波束角（-6dB）1215盲區(qū)0.20m工作電壓1224V DC超聲波工作頻率120kHZ工

29、作電流100mA重復(fù)精度0.5%輸出010V 電壓輸出速度5 次/秒工作溫度-2070防護(hù)等級(jí)（前端）IP65（后端不防水）標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試目標(biāo)物0.50.5m材質(zhì)不銹鋼（外殼）ABS（傳感頭）超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究16M12 插頭按鍵，提示燈80mm60mmM301.5圖 3-1 HTBEF2002 型超聲波傳感器 外形尺寸K（按鍵）LED（指示燈）圖 3-2 傳感器后端 圖 3-3 傳感器實(shí)物圖引腳定義：1：Vcc（電源正極）2：GND（電源負(fù)極，信號(hào)公共端）3：OUT（0-10V 信號(hào)輸出）4：NC（空）5：NC（空）17VccGND 信號(hào)公共端OUT（輸出）123圖 3-4 超聲波模塊接線圖3

30、.1.2 其他元件穩(wěn)壓器：本設(shè)計(jì)使用的穩(wěn)壓器是 LM317T 型可調(diào)輸出 3 端穩(wěn)壓器。LM317T 是由美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司在 2001 年生產(chǎn)的一種三端口穩(wěn)壓器件，他的輸出電壓可以通過(guò)調(diào)整電阻進(jìn)行一定幅度的調(diào)整。輸出的電壓幅度在 1.227V 之間，基本上可以滿足大多數(shù)集成芯片所需要的電壓幅度。圖 3-5 LM317T 實(shí)物圖超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究18表 3-2 LM317T 參數(shù)表輸出電壓范圍1.2-37V輸入?yún)⒖疾顒e電壓40V輸出電流內(nèi)部有限的功率耗散內(nèi)部有限的封裝TO-220處理信號(hào)數(shù)?；旌闲盘?hào)工作溫度-40125儲(chǔ)存溫度-65150圖 3-6 LM317T 引腳圖變壓器：本設(shè)計(jì)使用的

31、變壓器是 TOYODEN 公司的 HT-1203 型變壓器。該型變壓器的輸出電壓為 12V、輸出電流為 0.3A。19圖 3-7 變壓器實(shí)物圖表 3-3 HT-1203 型變壓器參數(shù)表相數(shù)1額定輸出0.3A輸入電壓100V（AC）輸出電壓12V（AC）頻率50Hz/60Hz靜電屏蔽無(wú)工作溫度-10 40 最高溫度上升60電壓偏差在 5電壓調(diào)整少于 30%絕緣電阻100M 以上耐電壓1.5kV物理尺寸235 185 75 毫米（長(zhǎng) x 寬 x 高）橋式二極管：本設(shè)計(jì)使用的橋式二極管是 1A 印制電路板用的橋式二極管。橋式二極管是利用四個(gè)二極管，兩兩對(duì)接，輸入正弦波的正半部分是兩只管導(dǎo)通，得到正的

32、輸出；輸入正弦波的負(fù)半部分時(shí)，另兩只管導(dǎo)通，由于這兩只管是反接的，所以輸出還是得到正弦波的正半部分。輸入電壓：12V（AC）輸出電壓：10V（DC）內(nèi)部二極管承受的反向峰值電壓：122超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究20圖 3-8 橋式二極管實(shí)物圖繼電器：本設(shè)計(jì)使用的是 OMRON 公司的 G6C-1114P-US-U 型繼電器。表 3-4 繼電器參數(shù)表額定電壓DC12V額定電流16.7mA線圈阻抗720動(dòng)作電壓70%以下復(fù)位電壓10%以上最大容許電壓160%（23）物理尺寸201510mm(長(zhǎng)寬高)功率耗散200mW接觸電阻*130m 以下動(dòng)作（置位）時(shí)間210ms 以下（約 5ms）復(fù)位（重置）時(shí)間

33、*210ms 以下（約 2ms）機(jī)械壽命5,000 萬(wàn)次以上（開(kāi)關(guān)頻率 18,000 次/h）使用環(huán)境溫度-25+70（無(wú)結(jié)冰、無(wú)凝露）使用環(huán)境濕度585RH重量約 5.6g21注:1.額定電流、線圈電阻的值指的是線圈溫度為+23時(shí)的值，公差10%2.動(dòng)作特性指的是線圈溫度為+23時(shí)的值。3.最大容許電壓為繼電器線圈能夠施加的電壓的最大值。4.*1 測(cè)量條件：根據(jù)電壓下降法，在 DC5V 1A 的條件下。5.*2 （ ）內(nèi)的數(shù)值為實(shí)際值表 3-5 繼電器開(kāi)關(guān)部（接點(diǎn)部）參數(shù)表接點(diǎn)結(jié)構(gòu)1a 接點(diǎn)阻性負(fù)載感性負(fù)載（cos=0.4、L/R=7ms）定格負(fù)載AC250V 10A（8A）DC 30V 1

34、0A（10A）AC250V 5A（5A）DC 30V 5A（5A）接觸結(jié)構(gòu)單接點(diǎn)材質(zhì)Ag 合金（無(wú) Cd 材料）額定通電電流10A（10A）接點(diǎn)電流的最大值10A（10A）接點(diǎn)電壓的最大值A(chǔ)C380V、DC125V開(kāi)關(guān)容量的最大值（參考值）2,500VA 300W1,250VA 220W超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究22圖 3-9 繼電器實(shí)物圖可變電阻：本設(shè)計(jì)使用的可變電阻是標(biāo)稱阻指為 5k 的可變電阻。標(biāo)稱阻值：5k允許偏差：5%額定功率：0.5W類型：普通型電阻體材料：金屬膜圖 3-10 可變電阻實(shí)物圖電阻：本設(shè)計(jì)使用的電阻有三種，分別是阻值為 240 的一個(gè)、阻值為 1k 的兩個(gè)和阻值為 100

35、 的一個(gè)。表 3-6 電阻參數(shù)表標(biāo)稱阻值2401k100允許誤差5%5%5%額定功率0.25W0.25W0.25W電阻體材料金屬膜金屬膜金屬膜23圖 3-11 電阻實(shí)物圖光敏電阻：本設(shè)計(jì)使用的光敏電阻是 GdS 光敏電阻。光譜峰值：520nm最高工作電壓：350Vpk最大功耗：500mW亮電阻：在 10 勒克斯時(shí)為 12-58k暗電阻：1M圖 3-12 GdS 光敏電阻實(shí)物圖電容器：本設(shè)計(jì)使用的電容是大小分變?yōu)?330、10、220 的電解電容。超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究24表 3-7 電解電容參數(shù)表標(biāo)稱容量33010220允許誤差5%5%5%額定工作電壓50V10V16V材料鋁電解鋁電解鋁電解圖

36、 3-13 電解電容實(shí)物圖晶體管：本設(shè)計(jì)使用的晶體管是 NEC 公司的 2SD560 型 NPN 管。材料與特性：硅 NPN耗散功率：30W最大集電極電流：5A最高反向電壓：100V電流放大系數(shù)：20-15025圖 3-14 三極管實(shí)物圖3.2 元件的功能超聲波模塊的功能：超聲波模塊是本設(shè)計(jì)的感應(yīng)電路，它承擔(dān)著對(duì)是否接通電路的問(wèn)題進(jìn)行判定，相當(dāng)于是人的大腦，控制著所有的動(dòng)作，只有該模塊成功準(zhǔn)確的工作了，才能實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)預(yù)期的所有功能和效果。變壓器、橋式二極管和電容 C1組成了整流濾波模塊，它的功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換成平滑的 12V 直流電壓，為本系統(tǒng)提供合適的直流電壓。變壓器的功能是將交流電壓轉(zhuǎn)換

37、成較小的交流電壓，橋式二極管的功能是將交流電壓整流獲得有較大脈動(dòng)的直流電壓，電容 C1的作用是通過(guò)電容的充放電特性對(duì)整流后的電壓進(jìn)行濾波，得到平滑的直流電壓。穩(wěn)壓器、變阻器以及外圍的電阻、電容組成了穩(wěn)壓模塊，該模塊的的功能是穩(wěn)定電壓信號(hào)，以便提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和可靠性能，變阻器的作用是可以改變穩(wěn)壓模塊的輸出電壓，電容的作用是改進(jìn)模塊的瞬態(tài)響應(yīng)。三極管和繼電器組成了系統(tǒng)的動(dòng)作模塊，該模塊的功能是根據(jù)超聲波傳感器感應(yīng)到的狀態(tài)以及系統(tǒng)的其他模塊的狀態(tài)，對(duì)電路進(jìn)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。電容 C3的功能是當(dāng)系統(tǒng)斷開(kāi)電源后為電路提供延時(shí)接通所需的電能，實(shí)現(xiàn)的是本系統(tǒng)要求的延時(shí)功能。超聲波

38、自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究263.3 本章小結(jié)本章主要從元器件參數(shù)和功能出發(fā)，討論了本系統(tǒng)中的超聲波模塊及各元器件的詳細(xì)參數(shù)，討論了本系統(tǒng)中的超聲波模塊及各元器件的功能，下一章將介紹系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)的性能參數(shù)。27第四章實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)性能4.1 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)所用儀器：數(shù)字萬(wàn)用表、秒表和卷尺 圖 4-3 數(shù)字萬(wàn)用表實(shí)物圖 圖 4-4 秒表實(shí)物圖 圖 4-5 卷尺實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)會(huì)使用本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，熟練掌握對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。2、測(cè)得系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置范圍，熟知系統(tǒng)能夠使用的應(yīng)用環(huán)境。3、為以后進(jìn)一步的研究工作提供改進(jìn)的數(shù)據(jù)參考。實(shí)驗(yàn)方法：超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究28本設(shè)計(jì)的正常工作工程應(yīng)該是合上 SW1 后，傳感器

39、單元的指示燈即被點(diǎn)亮。因此，如果遮住傳感器前端，傳感器單元的指示燈也被點(diǎn)亮，則說(shuō)明超聲波傳感器的工作是正常的。實(shí)驗(yàn)中，若繼電器 RL1 無(wú)動(dòng)作，應(yīng)該首先確認(rèn) IC1 的輸出電壓是否為 12V，發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮。超聲波傳感器的量程設(shè)置和校準(zhǔn)：1、設(shè)置 10V 輸出點(diǎn)按下開(kāi)關(guān)“K” （約 1 秒/次）一次，LED 變?yōu)榫G色，將傳感器對(duì)準(zhǔn)被檢測(cè)目標(biāo)方向，按下“K” （約 5 秒）直至 LED 熄滅，此時(shí)傳感器與目標(biāo)之間的距離被設(shè)定為 10V 輸出點(diǎn)的距離。2、設(shè)置 0V 輸出點(diǎn)按下開(kāi)關(guān)“K” （約 1 秒/次）兩次，LED 變?yōu)榧t色，將傳感器對(duì)準(zhǔn)被檢測(cè)目標(biāo)方向，按下“K” （約 5 秒）直至 LE

40、D 熄滅，此時(shí)傳感器與目標(biāo)之間的距離被設(shè)定為 0V 輸出點(diǎn)的距離。利用數(shù)字萬(wàn)用表、秒表和卷尺等工具直接通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出系統(tǒng)檢測(cè)距離和系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間，再運(yùn)用三角函數(shù)關(guān)系（sin=對(duì)邊/斜邊）得出系統(tǒng)的檢測(cè)角度（2） 。4.2 性能參數(shù)本設(shè)計(jì)的性能參數(shù)有：檢測(cè)范圍：0.2-2m， （0.3m 范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)障礙物，以免影響系統(tǒng)檢測(cè)的準(zhǔn)確性） 。檢測(cè)角度：12-15檢測(cè)尺寸：0.50.5m，能檢測(cè)到所有人員（除了不能行走的嬰兒）的靠近的靠近。延時(shí)時(shí)間：約 25s，該參數(shù)可以通過(guò)更改電容 C3的大小來(lái)改變。4.3 本章小結(jié)本章主要從系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)出發(fā)，討論了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，討論了系統(tǒng)的性能參數(shù)以及改變的方法。下一章

41、中將對(duì)本設(shè)計(jì)做一個(gè)總結(jié)和展望。29第五章總結(jié)5.1 總結(jié)本文在對(duì)超聲波性質(zhì)的分析的基礎(chǔ)上，對(duì)超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)、詳細(xì)的介紹；對(duì)系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行仔細(xì)的推敲，得出了系統(tǒng)的工作流程；對(duì)本設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行全面的分析，設(shè)計(jì)出了本系統(tǒng)的電路圖?？v觀全文，本設(shè)計(jì)主要做了以下工作：1.根據(jù)本設(shè)計(jì)的任務(wù)書(shū)的要求，確立了超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)超聲波感應(yīng)模塊和一個(gè)光傳感器。通過(guò)超聲波感應(yīng)模塊獲得人靠近和離開(kāi)的信息，從而得到人來(lái)燈開(kāi)人走燈滅的效果，通過(guò)光傳感器獲得白天和黑夜的信息，從而得到白天系統(tǒng)不做設(shè)計(jì)要求的動(dòng)作，晚上系統(tǒng)按設(shè)計(jì)要求的動(dòng)作進(jìn)行工作。2.以設(shè)計(jì)的電路圖為依據(jù)，對(duì)電路

42、中的每個(gè)元件進(jìn)行選擇以及對(duì)元件的功能進(jìn)行介紹。（1）采用 HTBEF2002 型超聲波傳感器，根據(jù)要求可以對(duì)感應(yīng)距離作 0.2米到 2 米之間的調(diào)節(jié)。（2）采用 TOYODEN 公司的 HT-1203 型變壓器、橋式二極管和 330 電解電容組成整流濾波電路，將 100V 的交流電壓轉(zhuǎn)換成 12V 的直流電壓。（3）以 LM317T 型可調(diào)輸出 3 端穩(wěn)壓器、標(biāo)稱阻指為 5k 的可變電阻和240 電阻組成穩(wěn)壓電路，為系統(tǒng)穩(wěn)定電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)可變電阻值可以改變穩(wěn)壓輸出的電壓值。（4）采用 NEC 公司的 2SD560 型 NPN 管和 OMRON 公司的 G6C-1114P-US-U 型繼電器組成

43、功能實(shí)現(xiàn)電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大進(jìn)而通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制。（5）采用 RC 電路，系統(tǒng)工作時(shí)為電容充電，當(dāng)系統(tǒng)斷電后，電容就會(huì)放電為系統(tǒng)提供延時(shí)所需的電壓，可根據(jù)需要改變電容的容量，從而得到不同的延時(shí)時(shí)間。3.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出本設(shè)計(jì)的性能參數(shù)。與生活中應(yīng)用廣泛的聲控?zé)粝啾?，本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)只需要人安靜的走近，不需要人發(fā)出任何聲音，系統(tǒng)通過(guò)超聲波遇到人而反射回來(lái)的信號(hào)判超聲波自動(dòng)上燈系統(tǒng)研究30斷人員的靠近，能有效避免噪聲的出現(xiàn)。 （2）本系統(tǒng)不會(huì)受到外界噪音的干擾而錯(cuò)誤的接通電路，如：春節(jié)的鞭炮、煙花等的聲音。5.2 展望本文中用超聲波檢測(cè)的準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步在復(fù)雜和多種不同情

44、況下進(jìn)行驗(yàn)證，以檢驗(yàn)其適用性。本設(shè)計(jì)雖然在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)感應(yīng)人員靠近而接通電路的目的，但是超聲波傳感器在傳感器技術(shù)領(lǐng)域相對(duì)于其他傳感器廣泛應(yīng)用的時(shí)間比較晚，在控?zé)舴矫娓乔啡毖芯?，以及論文作者水平有限，在很多技術(shù)性問(wèn)題上還應(yīng)當(dāng)從更多的角度出發(fā)進(jìn)行更為深入的討論與研究，比如超聲波感應(yīng)的距離和精度、超聲波的反射問(wèn)題、噪聲問(wèn)題等等?，F(xiàn)在社會(huì)中普遍應(yīng)用的是聲電、光電和紅外線傳感器對(duì)照明燈進(jìn)行控制，相對(duì)于這些，超聲波傳感器在控?zé)纛I(lǐng)域才剛剛起步，因此對(duì)超聲波傳感器的更深一步的研究與學(xué)習(xí)，仍具有很大的價(jià)值。31參考文獻(xiàn)1 劉志明. 電路分析（修訂版）M.西安: 西安電子科技大學(xué)出版社，2008.2 周雪

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