张晓臣-亚超声遥控开关的设计.doc

无锡城市职业技术学院

毕 业 设 计 报 告

题 目 亚超声遥控开关的设计

姓 名 张晓臣
所在系别 电子信息工程系
专业班级 08应用电子技术（2）班
学 号 40661324
指导教师 柳亚平
日 期 2011年 6 月 6 日

目 录

一、绪论 3
（一）超声波的发展及应用 3
（二）亚超声遥控开关的起源及其国内外的发展 3
二、亚超声遥控开关的方案实现 4
三、硬件实现 5
（一）亚超声发射器 5
（二）亚超声接收放大器 6
四、亚超声遥控开关的制作及调试 7
（一） 亚超声遥控开关的制作 7
（二）亚超声遥控开关的调试 8
谢辞 9
参考文献 10
附录 11

无锡城市职业技术学院2008级应用电子技术专业毕业设计报告（论文）
亚超声遥控开关的设计

摘要：亚超声遥控开关分为遥控发射头和接收电路两部分，亚超声遥控开关电路由亚超声发射器、亚超声接收放大器、通道译码器、双稳态触发器和继电器驱动电路组成。亚超声遥控开关是一种介于普通的声控制开关和超声遥控开关两者之间的声控制开关，亚超声遥控开关可以应用在楼梯走道灯、台灯、收录机、电视机等家用电器设备上，它采用的声控频率为18-20kHz，而且可利用廉价的压电陶瓷片作为发射、接收声传感器，可靠性高、辐射干扰小、操作便捷，是一种经济、实用的声控制开关。
关键词：亚超声；微分电路；双稳触发

The design of ultrasonic remote control switch

Abstract: The sub-divided into ultrasonic remote control switch remote control transmitter and receiver circuits first of two parts, sub-sub-ultrasonic remote control switch circuit by the ultrasonic transmitter, Asia ultrasonic receiver amplifier, the channel decoder, bistable triggers, and relay driver circuit. Asia ultrasonic remote control switch is a control switch between normal sound and ultrasonic remote control switch the sound between the two control switches, remote switching sub-ultrasound can be used in the staircase walkway lights, lamps, tape recorders, television sets and other household appliances equipment, It uses the voice frequency of 18-20kHz, and can be used as a low-cost piezoelectric ceramic transmitter and receiver of acoustic sensors, high reliability, radiation interference is small, easy to handle, is an economical, practical and sound control switch.
Keywords: Asia ultrasound; differential circuit; bistable trigger

一、绪论
（一）超声波的发展及应用
声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着,我们把它叫做声波.声波借助各种介质向四面八方传播。在开阔空间的空气中那种传播方式像逐渐吹大的肥皂泡，是一种球形的阵面波。声音是指可听声波的特殊情形，例如对于人耳的可听声波，当那种阵面波达到人耳位置的时候，人的听觉器官会有相应的声音感觉。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。超声波是频率高于20000赫兹的声波，它方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000Hz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。声波是属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波声波。研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。
当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括机械效应、空化作用、热效应、化学效应。超声效应已广泛用于实际，主要有超声检验、超声处理、基础研究.
我们人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声呐”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。此时人们向水中发出一系列不同频率的超声波，然后记录与处理反射回声，从回声的特征我们便可以估计出探测物的距离、形态及其动态改变。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声技术扫描脑部结构；以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。如今超声波扫描技术已成为现代医学诊断不可缺少的工具。
（二）亚超声遥控开关的起源及其国内外的发展
电器的控制，离不开“开关”。开关由单刀开关到双刀开关，从单联到多联，从拉线开关到触摸式延时开关，从红外感应到调光开关，均没有能改变传统的接线方式和使用上的缺撼。早在几十年前就有人想要通过各种方式声音遥控的、调光控制的，光控的和比较先进的(电脑)集中控制等。但大多数多没有发展起来，在我看来也许是人们物质生活水平发展的制约。也许是有些发明的实用性差，也许是这类产品的性能质量还不完善，不能适应批量生产。最主要的是传统的用电布线，它制约了这些技术的发展。
随着人类科学技术的发展而产生了另一种更优越的开关，遥控开关。传统的机械式手动开关已经越来越满足不了现代人追求完美生活空间的需要。随着人们生活水平的不断提高，科学技术的不断进步，无线遥控技术取代传统手动开关已成为现代人追逐的潮流。
至少目前声控和红外线遥控产品还是很不成熟的产品，如果在短期之内在技术上解决不了，将是个淘汰产品。但是介于两者之间的一种叫亚超声遥控开关可以大幅度克服这样的缺点，亚超声遥控它采用的声控频率为18一20kHz，而且可利用廉价的压电陶瓷片作为发射、接收声传感器，它具有控制可靠性高、辐射干扰小、操作便捷等优点，是一种经济、实用的声控制开关。因此从遥控形式上说，亚超声遥控开关将可能会是是发展的主流和必然趋势。其主要技术特点和发展趋势有以下几点：
1、环保。绿色理念是遥控开关发展总趋势。有专家预言“谁最先推出绿色产品并抢占市场，谁就掌握市场竞争主动权”。发展趋势主要是：不断改进产品的设计，利用无污染，低干扰的声源控制开关的，从而控制电器的正常运行。
2、待机电流越来越小。多数采用了以下几种技术：
(1)在电源供电方面，采用开关电源技术。
(2)斩波技术。
(3)恒流恒压技术。
二、亚超声遥控开关的方案实现
亚超声遥控开关电路主要由亚超声发射器、亚超声接收放大器构成，其中接收器主要由通道译码器、双稳态触发器和继电器驱动电路组成，其原理框图如下图1所示：

多谐振荡器
压电装置
通道译码器
双稳态触发器
继电器驱动电路
亚超声发射器
亚超声接收放大器

图1 亚超声遥控开关原理图
三、硬件实现
（一）亚超声发射器
亚超声发射器电路如图2所示，

图2 亚超声发射器

亚超声发射器电路由时基集成电路IC1、控制按钮S1、S2、电位器RP1、RP2、电阻器R1、R2、电容器C1`、C2、晶体管V1和亚超声发射传感器B1组成。电路中，R1、RP1、C1与NE555组成一个振荡频率为18kHz的多谐振荡器，作为第一通道的控制频率，由RP1将振荡频率校准。R1、RP2, C1与NE555组成振荡频率为20kHz的多谐振荡器，作为第二通道的控制频率，由RP2将振荡频率校准。
遥控发射器通过两个按键开关SA1、SA2分别控制2通道遥控信号的发射，由NE555输出的振荡脉冲，经VT1放大后由压电陶瓷片B1向外发射。
（二）亚超声接收放大器
亚超声接收放大器电路如下图3所示，

图3亚超声接收放大器电路

亚超声接收放大器电路如图3所示，该电路由压电陶瓷片组成亚超声接收头，它能将接收到的亚超声信号转换为脉冲电信号，经过电压放大器放大后向外输出。
VT1、VT2组成两级电压放大器，仍采用电压并联负反馈式放大电路，该电路有较高的放大倍数。经电压放大后的信号，由C4和C5分别祸合至通道译码器IC2和IC3。
通道译码器IC2、IC3采用LM567。在IC2中，由R7和C8组成压控振荡器的外接阻容元件，将振荡频率调节在18kHz。在IC3中，由R9和Cn组成压控振荡器的外接阻容元件，将振荡频率调节在20kHz。当接收器接收到第一通道的18kHz的发射信号后，译码器IC2的8脚输出低电平；当接收器收到第二通道的20kHz的发射信号后，译码器IC3的8脚输出低电平。
C12与R10, C13与R11组成两个微分电路，将IC2、IC3输出的译码信号变为触发双稳态电路翻转的脉冲信号。由于在遥控发射器的操作中，按下发射键的时间很短，因此译码器的8脚输出的译码信号一般为宽度不同的负向脉冲，通过微分电路处理后，就可变为触发双稳态电路翻转的尖脉冲。
两个双稳态触发器由CD4013双D触发器组成。由D触发器组成双稳态触发器是这样连接的：将心端与数据端D相连，置1端S接地，置0端R可接阻容复位电路。2个双稳态触发器分别受译码器IC2和10的控制，当IC2输出的译码信号经微分电路微分后加至第一双稳态触发器的Cpl端后，触发器发生翻转；在触发器翻转，使1脚输出高电平时，通过R14使继电器驱动管VT3导通，继电器K1通电吸合，接通第一被控电路电源；当触发器翻转，使1脚输出低电平时，VT3截止，继电器K1释放，断开被控电路电源。
IC3输出的译码信号经微分电路微分后加至第二双稳态触发器的CP2端，触发器同样翻转，通过VT4和继电器K2接通或断开被控电路的电源。
在接通各路继电器时，通过发光管VL1和VL2分别发出接通指示信号。
本机电源电路直接由交流220V电源通过电容降压、桥式整流后提供。直流电源分两级：第一级由桥式整流后经限流电阻器R16限流、稳压管VS2稳压，变为12V电源．供继电器及驱动电路用；第二级由12V电源经限流电阻器R15限流、稳压管VS1稳压，变为6V电源，供前级电路使用。
其中LM567和CS4013电路图如下：

图4 LM567、CS4013芯片管脚图

四、亚超声遥控开关的制作及调试
（一） 亚超声遥控开关的制作
1、 元器件选择
二极管VD1～VD7选用1000v的IN4007型二极管，特别是VD1～VD4，要保证其耐压不低于4000V。VT2选用PNP型三极管9012，其余选用NPN型三极管9014。
降压电容器C1的容量是0.47uf，耐压400V，应选用优质的涤纶电容器。继电器J选用工作电压为12V的单触点的小型继电器，型号是4098。电感器的电感量是6.8mH。其余电阻分别选用为：R1-R4为12K和100K各两个，R5为100Ω，R6 R9 R12为3.9K，R7 R8 R10 R11为10K。电解电容C2 C3为47u/25V，C5 C6 C7 C8为1u、10u各两个。
2、安装制作
首先认真检查核对元件及配件的数量，并用万用电表检测阻容元件、二极管、三极管等元件的质量。然后看懂原理图，熟悉印刷电路图。除了二极管VD1～VD7采用卧式安装外，其余阻容元件、三极管等元件采用立式安装，并紧靠电路板（按照无线电装接技术安装），安装电解电容器、发光二极管、整流二极管、三极管等有极性元件时注意方向，千万不要插反装错。继电器J的焊接时间不要过长，否则会损坏开关触点。蜂鸣器装在前机壳的蜂鸣腔内，用烙铁将周边的塑料熔化固定蜂鸣器，再用热熔胶固定其二根引出线直接焊在电路板相应处。
3、调试
在通电测试前，首先把焊好的电路板认真对照印板图检查有无漏焊、错焊、虚焊、短路等现象。然后为了人身安全，先在C2的两端接人20V直流电源，检测用气囊能否使继电器J动作，如能正常开与关，即可装好外壳，进行交流调试，将遥控开关插入220V的交流电源上，把需要遥控的负载电器插到遥控开关的插头中，这时按动超声气囊即可在10米距离内有效控制电器的开和关。
（二）亚超声遥控开关的调试
在通电测试前，首先把焊好的电路板认真对照印板图检查有无漏焊、错焊、虚焊、短路等现象。然后为了人身安全，先在C2的两端接人20V直流电源，检测用气囊能否使继电器J动作，如能正常开与关，即可装好外壳，进行交流调试，将遥控开关插入220V的交流电源上，把需要遥控的负载电器插到遥控开关的插头中，这时捏动超声气囊即可在10米距离内有效控制电器的开和关。
问题1：在接收到发射器的遥控指令后，指示灯LED和受控灯泡同时快速连续闪烁，并能听到继电器衔铁颤抖时产生的机械噪音，1秒钟之后，颤声停止，受控灯泡和LED同时熄灭。
解决方法：此类问题主要因直流电源不足以向整机提供所需的工作电流，而造成驱动电路和继电器难以顺利进入正常的吸合状态，表现为吸持不牢、似吸非吸等。在本电路中产生此类问题主要是由于公供市电不稳或降压电容C1偏小造成导致继电器J不能吸合的。因此只需加大C1的容量即解决问题。
问题2：在每次遥控开灯时，指示灯LED和受控灯泡都要闪烁数次之后方能进入稳定的发光状态。
解决方法：此类问题遥主要是和遥控开关的响应时间的长短有关。在图2的触发脉冲产生电路中，R3为VT2的集电极负载电阻，从R3输出触发信号；C5为防止误解触发。如C5损坏则会产生上述问题。

谢辞
三年的大学生活已经快结束，在本专业的学习中使我掌握了不少专业知识，锻炼了自己。毕业设计可以说是三年学习的总结和体现，在指导老师的指导和帮助下，我完成了这篇毕业设计。他热心的帮助和循循善诱的指导深深感动了我。
这篇设计和三年中所有教育过我的老师也是分不开的，没有他们的传授的知识我也不可能完成这个的课题。我无论是在课程学习阶段，还是在论文的选题，资料查询和撰写的每一个环节，无不得到指导教师的悉心指导和帮助。
我为我几个月来静心学习，并取得较好成绩而感到欣慰，欣慰之余，我要感谢母校，向关心和支持我学习的所有老师和同学们表示真挚的谢意！感谢他们对我的关心和支持！

参考文献
[1]王慧玲，《电路基础》，高等教育出版社，2004年
[2]周良权/傅恩锡/李世馨，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2005年
[3]李娟，《传感器与检测技术》，北京冶金工业出版社，2009年
[4]田华/袁振东/赵明忠/何云,《电子测量技术》,西安电子科技大学出版社,2005年
[5]刘进峰，《无线电装接工》，中国劳动出版社，2007年

附录
第 11 页 共 11 页