创新设计与实践亚超声遥控开关的设计汇总.docx
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创新设计与实践亚超声遥控开关的设计汇总
创新设计与实践
题目:
亚超声遥控开关的设计
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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18一20,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:
亚超声声控制原理微分电路双稳触发
前言4
第1章超声的发展及应用5
1.1超声波的发展5
1.2超声波的特点6
第2章亚超声遥控开关的概述7
2.1亚超声的起源及其国内外的发展7
2.2亚超声遥控开关的技术发展9
第3章亚超声遥控开关的工作原理10
3.1亚超声遥控开关的方案实现10
3.2亚超声遥控开关发射电路设计10
3.4电源电路设计11
3.5工作原理11
第4章亚超声遥控开关的制作12
4.1亚超声遥控开关的安装12
4.1.1元器件选择12
4.1.2安装制作13
4.1.3调试13
4.2亚超声遥控开关的实体制作13
参考文献15
附录16
前言
声音控制电源,可以控制电视机,电风扇等200W以内的家用电器,插入插头后,再将电器插头插入声控开关,200㎡的房子都可以控制,非常方便,该遥控器根据国际先进的声光控制原理,在60平方米的房间内可随意(无线)遥控电视机,影碟机,电灯等一切家用电器开关,会给你的生活带来极大方便,不起床、不动步,轻轻一按,开关一切。
不需要拉线开关,只要用手捏一下“带嘴”的橡皮球(气囊),就可控制家用电器的“开”与“关”,达到家用电器的声控化目的。
目前,市场上具有遥控功能的开关种类有声控,光控,红外控制等。
其中,亚超声遥控开关具有控制可靠性高、辐射干扰小、操作便捷等优点。
本文所介绍的亚超声遥控电路设计简洁、工作稳定、等机功耗低、制作成本低。
组装时要注意:
由于本电路工作频率低,总增益又不是太大,不易发生自激或其他异常现象。
对元件要求不高,比如二极管选用较为常见的IN4001,PNP三极管可以选用9012,NPN三极管可以选用9013等。
只要元件性能良好,安装无误,基本上一装即可。
第1章超声的发展及应用
1.1超声波的发展
声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。
所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。
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。
超声波是指振动频率大于20KHz以上的,人在自然环境下无法听到和感受到的声波。
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。
虽然说人类听不出超声波,但不少动物却有此本领。
它们可以利用超声波“导航”、追捕食物,或避开危险物。
大家可能看到过夏天的夜晚有许多蝙蝠在庭院里来回飞翔,它们为什么在没有光亮的情况下飞翔而不会迷失方向呢?
原因就是蝙蝠能发出2~10万赫兹的超声波,这好比是一座活动的“雷达站”。
蝙蝠正是利用这种“声呐”判断飞行前方是昆虫,或是障碍物的。
而雷达的质量有几十、几百、几千千克,而在一些重要性能上的精确度、抗干扰能力等,蝙蝠远优于这些现代无线电定位器。
深入研究动物身上各种器官的功能和构造,将获得的知识用来改进现有的设备,这是近几十年来发展起来的一门新学科,叫做仿生学。
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。
1.2超声波的特点
①束射特性
由于超声波的波长短,超声波射线可以和光线一样,能够反射、折射,也能聚焦,而且.遵守几何光学上的定律。
即超声波射线从一种物质表面反射时,入射角等于反射角,当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射,也就是要改变它的传插方向,两种物质的密度差别愈大,则折射也愈大。
②吸收特性
声波在各种物质中传播时,随着传播距离的增加,强度会渐进减弱,这是因为物质要吸收掉它的能量。
对于同一物质,声波的频率越高,吸收越强。
对于一个频率一定的声波,在气体中传播时吸收最历害,在液体中传播时吸收比较弱,在固体中传播时吸收最小。
③超声波的能量传递特性
超声波所以往各个工业部门中有广泛的应用,主要之点还在于比声波具有强大得多的功率。
为什么有强大的功率呢?
因为当声波到达某一物资中时,由于声波的作用使物质中的分子也跟着振动,振动的频率和声波频率―样,分子振动的频率决定了分子振动的速度。
频率愈高速度愈大。
物资分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外,是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高,也就是物质分子愈能得到更高的能量、超声波的频率比声波可以高很多,所以它可以使物资分子获得很大的能量;换句话说,超声波本身可以供给物质足够大的功率。
④超声波的声压特性
当声波通入某物体时,由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用,将使物质所受的压力产生变化。
由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。
由于超声波所具有的能量很大,就有可能使物质分子产生显诸的声压作用、例如当水中通过一般强度的超声波时,产生的附加压力可以达到好几个大气压力。
液体中存起着如此巨大的声压作用,就会引起值得注意的现象。
当超声波振动使液体分子压缩时,好象分子受到来直四面八方的压力;当超声波振动使液体分子稀疏时,好象受到向外散开的拉力,对于液体,它们比较受得住附加压力的作用,所以在受到压缩力的时候;不大会产生反常情形。
但是在拉力的作用下,液体就会支持不了,在拉力集中的地方,液体就会断裂开来,这种断裂作用特别容易发生在液体中存在杂质或气泡的地方,因为这些地方液体的强度特别低,也就特别经受不起几倍于大气压力的拉力作用。
由于发生断裂的结果,液体中会产生许多气泡状的小空腔,这种空泡存在的时间很短,一瞬时就会闭合起来。
空腔闭合的时候会产生很大的瞬时压力,一般可以达到几千甚至几万个大气压力。
液体在这种强大的瞬时压力作用下,温度会骤然增高。
断裂作用所引起的互大瞬时压力,可以使浮悬在液体中的固体表面受到急剧破坏。
我们常称之为空化现象。
第2章亚超声遥控开关的概述
2.1亚超声的起源及其国内外的发展
自从爱迪生发明了电灯以来,电灯成为现代人们生活中不可缺少的照明用具。
随着社会的发展,人们生活水平的提高,家居照明的灯具品种越来越多样化,为了适应家居不同场合的需求,大多都装饰有多种不同光源、不同颜色、不同亮度的各类新颖灯饰。
如何能方便地、便随心所欲地调控每盏灯,成为当今的热门话题。
灯具的控制,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。
大多墙壁开关只是在外观上不断翻新,难道没有人想过各类智能型的开关吗?
想过!
早在几十年前就有人搞过,比如各类方式遥控的、无级调光的,光控的和最近几年出现的(电脑)集中控制等。
但大多数没有兴起来,为什么?
难道人们不需要吗?
答案是否定的。
具我个人观点:
一是人们物质生活水平发展的制约。
二是有些发明的实用性差,比如电脑(单板机)集中控制,很难想象谁能去打开电脑后去调度每盏灯。
三是这类产品的性能质量还不完善,不能适应批量生产。
四是传统的用电布线,本人认为是最主要的因素,它制约了这些技术的发。
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。
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。
现今的市场中,开关插座和从前相比,已经大不一样了。
在追求个性的时代。
开关产品也和手机一样,在独具匠心的创意、风格各异的设计、精美绝伦的款式上展示着自己安全开关功效之外的独特魅力。
到灯饰城逛逛,我们就会发现今年的开关有了更多的变化:
一改以往经久不变的模样,从白色到银色、黑色;从方型到菱形、长方型;从普通的材料到皮质材料等等,小小的开关也被赋予了艺术化的身份,每一个细节的变化都使它的品质更完美。
在这种背景下,产生了一种叫做亚超声遥控的开关,具有控制可靠性高、辐射干扰小、操作便捷等优点。
目前,市场的开关品种多样,价位不一,低至几元,高到上百元,虽然技术和选材可能有天壤之别,但产品往往初看上去并没有什么差别。
更有某些国内的开关插座生产厂家在销售过程中夸大技术数据,欺骗消费者,也使消费者在选择时无所适从。
而在当今电气化时代的家居生活中,电器被广泛应用在各个方面,用电安全问题极为突出。
开关的核心技术和所选用的材质对应用的安全十分重要。
例如插座中的铜片,普通的黄铜由于抗疲劳性差而在插拔多次后容易变形,变形后的插座则会产生电火花而危及安全,更不必说短路的风险了。
而一些知名品牌如西蒙开关等则采用弹性和韧性都非常好的磷青铜,虽然成本有所增加,但避免了此类电气风险。
再如面板的内外部材料,进口的PC料不仅不易老化,而且抗冲击,更可阻燃,显然可以大大增加面板的安全性。
在走访低压配电领导品牌梅兰日兰时,其产品负责人表示:
“以企业的专业性保障产品的设计和选料,以严格的生产管理保障产品的高质量,以诚信的营销塑造企业品牌形象,是一个对社会负责任的电气元件生产企业的根本原则。
”
目前国内的普通开关品牌质优价平,不过在视觉美感上,稍逊风骚,但因较为实用,还是深受广大老百姓的喜爱。
毋庸置疑,在挑选开关插座的时候,可靠性总是第一重要的,一定要熟记于胸的就是产品质量的要求,最好挑选过硬的品牌。
以西蒙为例,西蒙欧式60系列 其产品60质感系列面板开关精工锻造的内部构架和专业研发的安全技术让人称叹。
西蒙欧式60系列面板开关坚持采用银镍合金触点,导电桥则采用银镍铜复合材料。
银材料的导电性能优良,而银镍合金抑制电弧的能力非常强,这样就保证了西蒙欧式60系列的开关可开闭80000次以上,远远超过了国际规定的40000次的标准。
“面板开关是家庭用电一体化系统重要的一环,所有的设计必须以安全为基础,这是一 个电气配件生产企业的根本责任。
”西蒙的有关负责人华北区总监李扬如是说。
而集这些普通开关大部分的优点于一身的亚超声遥控开关,却有着很大的优势,它操作简便,设计简单,抗干扰性较好,工作稳定、等机功耗低、制作成本低。
在国外,美国美国爱特梅尔(Atmel)发布了面向遥控车门开关的、基于微控制器“AVR”的RF发射器“ATA577x”系列(英文发布资料)。
该系列分SiP和MCM两种,在爱特梅尔的“ATtyny44V”微控制器上组合使用了RF发射器“T5750/53/54”。
覆盖全球所有可利用的频率(ATA5773为315MHz,ATA5774为433MHz,ATA5771为868~928MHz),使用5mm见方的小型QFN24封装,以低成本实现了极小的车门开关系统。
2.2亚超声遥控开关的技术发展
目前市场上遥控开关发展很快。
随着技术的完善,成品价格的下降,越来越被广大群众所接受,这种新兴产业的发展,势必在家居生活中产生深远的影响。
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:
a、在电源供电方面,采用开关电源技术。
b、斩波技术。
c、恒流恒压技术。
第3章亚超声遥控开关的工作原理
3.1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,其原理框图如下图所示:
3.2亚超声遥控开关发射电路设计
发射器是一个橡胶球,装有塑料件压气式舌形超声汽笛。
当手捏橡胶气囊时,一定压力的脉动气流通过气口输入笛声,当气流再通过狭缝时被加速射出,冲击刀口产生空腔谐振,并从楔形扣向外辐射出频率为18KHz的亚超声波,用来控制接收机。
亚超声发射器电路如图2所示:
图2发射器示意图
3.4电源电路设计
直流稳压电源由电源变压器T、整流、滤波和稳压电路四部分组成,电网供给的交流电压u1(220V,50Hz)经电源变压器降压后,得到符合电路需要的交流电压,然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压,再用滤波器滤去其交流分量,就可得到比较平直的直流电压,再经过稳压电路得到想要的电源电压。
电源电路原理图如下图所示:
3.5工作原理
接收电路部分如图2所示。
由超声换能器HT,选频放大级BG1,脉冲形成放大级BG2,RC积分电路,双稳态BG3,BG4记忆单元,触发椎动级BG5,可控硅BCR电路以及市电整流稳压等部分组成。
220V交流市电经C1Rl降斥,D1D2串并联整流,电容C滤波,DW稳压后,为电路提供9V左右的直流电压。
由于采用电容降压方式供电,确保了长时间通电工作的可靠性,电路不存在过热问起,而且功耗也不很大。
当接收器接收到声波信号后,产生几毫伏的电脉冲,送到由BGl、LC3组成的选频放大电路、LC3选频网络谐振在18KHz频率上时输出最大。
经C4微分耦合到BG2,使平时处于截止的三极管BG2迅速饱和导通,在其集电极电阻R4两端产生一接近电源电压的高电平信号,再由R5R5电路积分,形成一定宽度的触发脉冲,触发由BG3,BG4等组成的双稳态电路。
为提高翻转的可靠性,采用导引触发方式,由C6、C7,R8,R9,D3,D4组成计数输入式自控门触发电路,使触发负脉冲每次只能引到饱和管的基极,保证双稳态每次触发都能可靠翻转,从而提高了本产品的可靠性。
双稳态中BG4的输出端控制开关管BG5,当BG4截止时输出高电平,通过R12加在BG5的基极,使得BG5发光二极管导通发亮,此时由BG5,R13、LE和BCR控制极相连组成的触发电路导通,使可控硅BCR处于导通状态,接在本机CZ插座上的家用电器便开始工作。
当再捏一下气囊时,接收机又收到一次信号,使电路中的双稳态发生翻转,可控硅控制极触发电流截止,BCR在其两端的交流电斥过零时被并断。
从而就达到了遥控家电的目的。
使用时,被控家用电器的电源插头插在本机的插座CZ上,打开被控家电的电源开关,手捏发射器气囊时就能把控制其家电的"开"和"关"。
一般情况,遥控距离可达6米左右,受控范用不少于20平方米房间。
第4章亚超声遥控开关的制作
4.1亚超声遥控开关的安装
4.1.1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,其余阻容元件按元件清单上参数即可。
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。
4.1.2安装制作
图4-1是亚超声遥控开关的电原理图。
首先对照元件清单(附表4-1),认真查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,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,2个铜件(插座)要求焊接要牢固,不能有松动,另二个铜件(插头)用“十字’’起子固定在印刷电路板上。
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。
4.1.3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,这时捏动超声气囊即可在10米距离内有效控制电器的开和关。
在某些农村地区晚间电压低于160V以下,导致继电器J不能吸合,这时可将C1的容量加大至0.68uf即可正常工作。
按图1所示的电路可控制200VA左右的电器,如果被控电路功率较大或是电感性负载,那么可选用触点功率较大的继电器即可。
4.2亚超声遥控开关的实体制作
元器件安装步骤:
(1)我们首先安装电感,电感安装时要注意工艺成形,因为电感是很细的铜丝焊接到引脚上的,所以管脚打折时不要将电感线圈弄断。
(2)在安装二极管时,注意正负极性。
装反可能成为以后电路不正常工作的原因。
(3)安装4只10K电阻,色环颜色为“棕—黑—橙—金”。
安装其他电阻,2K和2.2K在这个电路里一样工作。
(4)下面安装电解电容,注意正负极,装反了会“爆炸”的。
(5)安装瓷片电容,刚开始说的,瓷片电容C和电感L构成振荡电路,成本电路里只有一个瓷片电容103。
(6)安装三极管,这里要重点强调,9014为NPN型,9015为PNP型,在这个电路里9015可以用8550代替。
很多人在这里把管脚装反了,电路当然不工作了,所以在这里出现的问题最多。
请大家装的时候要对照着电路装。
(7)安装继电器。
(8)安装插座弹片。
(9)安装发光二极管,这个发光二极管和继电器是串联的,然后由三极管驱动,如果装反了,继电器就不动作了,灯也不亮了。
(10)安装插头触片。
装在电路板反面,自己找合适的平口螺丝,不能太长,这种螺丝好找,一般电脑里的螺丝就可以。
(11)现在我才安装这个庞然大物的电容,因为我们要安排好位置,管脚要工艺调整。
这个电容和680K电阻组成降压电路,代替价格昂贵和体积笨重的变压器,当然没有变压器安全和耐用,不过在这里已经够用了。
(12)安装传感器——压电陶瓷片,红线是正极,黑线是负极。
白色部分为助声腔,在这里提高接受传感器的灵敏度。
大家在音乐贺卡里见过,他发出清脆悦耳的声音,在这里不是发声音的,是接收声音的,这个压电陶瓷片可以反向使
用,不仅可以发出声音,也可以接收声音,产生电压。
如果声音在LC震荡频率上,那么信号经过放大,控制后面的触发器翻转工作。
所以一般的声音不会触发本次电路工作。
(13)用烙铁将传感器固定在外壳上。
参考文献
[1]吴项,电工电子技术,高等教育出版社,1990年
[2]胡学林,可编程控制器原理及应用,电子工业出版社,2007年,第1期
[3]林平勇,电工电子技术,高等教育出版社,2004年,第5期
[4]徐佩安,电子测量技术,机械工业出版社,2002年,第7期
[5]林金泉/何小河,自动检测及转换技术,北京师范大学出版社,2005年,第8期
[6]王慧玲,《电路基础》,高等教育出版社,2004年
[7]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
附录
表4-1元件清单
序号
名称
型号规格
位号
数量
1
发光二极管
3红
LED
1只
2
整流二极管
IN4007
VD1-VD7
7只
3
三极管
9014
VT1、VT3-VT5
4只
4
三极管
9012
VT2
1只
5
电阻
100Ω
R5
1只
6
电阻
12K(1K)、100K
R2、R4、R1、R3
各2只
7
电阻
3.9K
R6、R9、R12
3只
8
电阻
10K
R7、R8、R10、R11
4只
9
涤纶电容
0.47u/400V
C1
1只
10
电解电容
1u、10u
C5、C6、C7、C8
各2只
11
电解电容
47u/25V
C2、C3
2只
12
瓷片电容器
223
C4
1只
13
电感、继电器
6.8mH、4098
L、J
各1只
14
铜件
4个
15
线路板、气囊、
接收器
各1个
16
外壳
1套
17
自攻螺丝
1粒
18
装配图
1张
电力焊接图
实物图
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