一、电路工作原理
超声波电筒实际上是一一个主动式超声波探测器,其工作原理类似于蝙蝠。使用时,超声波电筒的发射装置向前方发射看不见、听不到的超声波束。超声波束遇到障碍物时会被反射回来,被超声波电筒的接收装置接收后,处理成为音响信号。这样,通过听觉便“看见”了一定距离内的障碍物。根据音响信号的大小,还可以判断出障碍物的远近。
1.电路结构。下图所示为超声波电筒电路图,由发射电路和接收电路两部分组成。
(1)电路图上半部分为发射电路,包括与非门D1—1、D1-2等构成的音频多谐振荡器,振荡频率约1kHz;D1-3、D1-4等构成的超音频门控多谐振荡器,振荡频率为40kHz,并受1kHz音频信号的调制。
(2)电路图下半部分为接收电路,包括非门D2—1、D2—2、D2—3等构成的线性交流放人器,对40kHz的超声波回波进行放人;C3、VD1、VD2等构成的倍压检波电路;D2—4、D2—5、D2—6等构成的另一个线性交流放大器,对检波出的1kHz音频信号进行放大。
2.工作原理。超声波电筒工作原理如下图所示。发射电路中超音频振荡器产生的40kHz超齐频振荡信号,被音频信号调制后,通过超声波换能器向外发射超声波束。
接收电路中的超声波换能器接收到障碍物反射同来的超声波回波后,将其转换为电信号,经超音频放大、检波、音频放大后,使耳机发声。声音大小与接收到的超声波回波的强弱(即与障碍物的距离)有关。
二、CMOS门电路的模拟应用
CMOS门电路典型运用时处理的是二进制数字信号,其输入、输出端只有两种状态:
“1”或者“0”。但电路状态在两者之间变换时依然是需要时间的,也就是说在“1”和“0”之问有一个短暂的逐渐变化的过渡过程,利用这个特性可以将CMOS门电路变通作模拟应用,例如作小信号交流放大器,这在某些场合会给我们的电了制作带来很大的方便。
给CMOS门电路加上适当的偏置电压,可使其工作于线性放大状态。如下图所示,在非门D的输出端与输入端之间并接一个反馈电阻Rf,将非门D的工作点偏置于转移特性曲线的中间,则构成了一个线性模拟放大器,其工作点及输入、输出信号波形如下图所示。
1.单个非门构成的放大器。上图所示放大器工作于开环状态,其放大倍数等于非门D的开环放大倍数,但电路失真严重。下图所示为加入了负反馈的采用单个非门构成的放大器,Rf为反馈电阻,Ri为输入电阻,放大器的放大倍数与反馈电阻Rf与输入电阻Ri的比值有关。加人了负反馈可以改善放大器的失真,但由于单个非门的开环增益有限,所以该放大器的放大倍数较小。
2.三个非门串联构成的放大器。
采用奇数个非门串联可以大大提高开环增益。下图所示为采用三个非门D1、D2、D3串联构成的模拟放大器,三级非门串联可以获得很高的开环增益,因此该放大器可等效于一个同相输入端接l/2Vdd的运算放大器,其放大倍数仅等于反馈电阻R与输入电阻R之比,即放大倍数A=Rf/Ri。由于可以采用较深的负反馈,因此该电路在小信号时具有良好的线性,加上输入耦合电容和输出耦合电容后,便是一个实用的小信号交流放大器。
3.与非门、或非门构成的放大器。
将与非门(或非门)的几个输入端并接起来作为非门使用,也可以用来构成模拟放大器。下图所示为三个与非门D1、D2、D3串联构成的模拟放人器,图8所示为三个或非门D1、D2、D3串联构成的模拟放大器。
三、元器件选择
超声波换能器采用压电晶体换能器。发射用超声波换能器(B1)的型号为U CM一40T,接收用超声波换能器(B2)的型号为UCM一40R,两者外形一样,使用中注意不要搞错。超声波换能器有防护网的一面是发射或接收面,如下图所示。
D1采用CMOS四与非门电路CD40ll,D2采用CMC)S六非门电路CD4069,均为14脚双列直插式封装,如下图所示。
其余元器件如下图所示。
四.制作方法与步骤
1.制作电路板。按下图所示尺寸,用单面敷铜板制成电路板,并钻好各元器件的安装孔(直径lmm左右)。图中标有“A”标记处的一个孔和标有“B”标记处的两个孔,直径均为1.5mm,用于安装按钮开关。
2.自制按钮SBo按下图所示尺寸将弹性铜片裁剪成形,钻好两个直径1.5ram的固定孔,并将弹性铜片折弯成图示形状。然后在电路板上标有“A”标记处,铆上一颗直径1.5mm的铜铆钉,作为SB的定接点;再用两颗直径1.5mm的铜铆钉,将弹性铜片铆固在电路板的元件面,成为SB的动接点。最后,在弹性铜片上粘上一个塑料按钮帽,按钮开关sB便制作完成了。
3.改制电池接口板。如下图所示,从废旧层叠电池中拆出其顶端铆有电池按扣的小胶木板,焊上引线即可。应注意,阴扣连接正极引线,阳扣连接负极引线,以确保电池接入正确。
4.焊接安装。将各元器件焊入电路板相应位置。焊接CMOS集成电路时,电烙铁外壳应可靠接地,焊接时间不宜过长,以免损坏。
超声波换能器B1、B2应先用玻璃胶粘牢在电路板的元件面,其发射或接收波束指向应互相平行,并应与电路板平面保持平行,如下图所示。其引脚通过导线焊入电路板铜箔面相应位置。
5.制作外壳。超声波电筒的外壳可用适合的塑料小盒改制,并如下图所示在塑料机壳上开挖出超声波收发孔、使用按钮孔、耳机安装槽口等。
各部件在机壳中的位置如下图所示(从正面向下看)。超声波换能器Bl、B2应分别对准机壳前侧面的发射孔和接收孔。按钮开关上的塑料按钮帽应从机壳上的按钮孔中伸出。耳机插座从机壳后侧面的槽口中露出。最后盖上后盖,超声波电筒便制作完成了。
五,调试与使用
电路安装焊接完毕,检查无误后,即可进行调试。
1.调整发射频率。在超声波换能器正前方放置一障碍物,调节微调电位器RP1,使耳机中声音最大。调节过程中,应适当调节超声波换能器至障碍物的距离,以便准确判断耳机中音量的变化。
2.调整接收灵敏度。超声波电筒的接收灵敏度不是越高越好,而是应恰到好处。调整方法是将障碍物置于超声波换能器前方2m处,RP3置于中间位置,调节RP2使耳机中刚刚能听到声音即可。
3.调整音量。在上一步调整的基础上,逐步移近障碍物,同时调节RP3,使耳机中的音量适合自己的需要即可。
4.使用方法。使用时, 戴上耳机,手持超声波电筒,按下按钮(按住不放),将其指向所需方向,如果2m内有障碍物,即可从耳机中听到约lkHz的声音。距离越近,声音越大。
熟练后,就可根据声音的方向和大小判别出障碍物的位置和距离。
联系客服