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1、 第 I页 家电原理与检测家电原理与检测 课程设计报告课程设计报告 电风扇接收电路设计电风扇接收电路设计 姓姓 名名: 陈洞火陈洞火 专专 业业: 电子信息工程电子信息工程 班班 级级: 093253 学学 号号: 09325302 指导老师指导老师: 王晓荣王晓荣 第 II页 超声波遥控多档电风扇电路设计 摘 要 如今风扇的用途太多了，比如在库房可以用来排气，在厨房可排油烟。特别是在 炎热的夏天，可以给人们带来了一阵阵凉风，使人们在舒适的环境下安心工作。目前 风扇种类较多，从控制方式可分为挡位式、按键式、红外遥控式等，但不管哪种控制 方式都有不足之处，比如，按键式作不方便，红外遥控式操作时，
2、发射和接收方位必 须对准，否则很难有效控制。随着社会的不断发展、科技的不断进步、人们生活水平 的不断提高，先前的产品还存在很多的不足,已经不能再满足人们的需求，那么就迫切 要求新产品的问世。为了解决上述问题，开发了超声波遥控电风扇调速控制电路的课 题,即采用超声波来控制电风扇。超声波遥控电风扇调速控制电路是利用超声波发射器 发射的信号通过译码电路，由控制电路来进行有效的功能控制的。 文章系统介绍了超声波发射/接收控制电路组成、电路工作原理、电路设计、程序 设计、产品制作过程。该装置的发射和接收电路均采用超声波换能元件来实现。该设 计集传感技术、电子技术于一体，其有经济、适用、使用方便等特点。主
3、要内容包括 具体设计的方案、理论分析、给出了具体的电路图、系统调试及主要技术性能参数并 进行了可行性论证。 关键词：超声波发射/接收电路,控制电路,译码电路 第 III页 目 录 1 绪论.1 1.1 课题描述 1 1.2 基本工作原理及框图 1 2 单元电路设计.1 2.1 超声波的概述 1 2.2 超声波换能元件的原理 2 2.3 发射电路工作原理 3 2.4 接收电路工作原理 3 2.4.1 接收电路工作过程3 2.4.2 电路的噪声抑制4 2.4.3 CD4017 芯片4 3 元器件选择.7 总 结.9 致 谢.10 参考文献.11 第 1页 1 绪论 1.1 课题描述 随着科学技术的
4、发展，人们生活水平的提高，人们的要求越来越高，在日常生活 中已经不满足古老的按键式电风扇。随着人们生活的需要，风扇从简单的按键式控制 向遥控自动控制转化。在这种情况下，拟定开发了超声波遥控风扇的研究，为人们的 生活提供了许多的方便。利用红外线来发射的话，存在很多的不足，因为它是利用砷 化钾发光二极管来控制的，它所发射出的光波在 0.93 微米左右。发射和接收红外线也 由相应的集成电路来完成，同时，相应的电路比超声波电路复杂，因为在红外线的传 播中，它存在灵敏度不高、非得对准等缺陷。因此在这个设计中本人采用了超声波控 制技术来控制电路的运行。通过资料显示效果超声波也不错为遥控的首选工具。本电 路
5、可把家用普通键式风扇改为遥控，遥控距离大于 8m，可实现多档遥控，且本电路不 要求电风扇原电路有任何改动，抗干扰能力强，功耗小，方向性要求不高。 1.2 基本工作原理及框图 超声波发射/接收控制电路主要采用 CD4017 芯片来实现，在电风扇电路中控制电 路主要有调速开关、定时器、电容器和电抗器，电风扇的控制电路的主要功能是调速 控制。该电路由超声波发射电路、超声波接收电路、译码电路、控制电路和原风扇电 路五部分组成。它的系统原理为:由接收电路接收信号，通过译码，然后由控制电路达 到所需功能控制的目的。基本工作原理框图如图 1.1 所示。 超声波 发射电 路 超声波 接收电 路 译码 电路 控
6、制 电路 原风扇 电路 图 1.1 基本工作原理框图 2 单元电路设计 2.1 超声波的概述 超声波的用途广泛，比如可以借助超声波强大的能量，把人体内的结石击碎，即 超声波体外碎石治疗，避免了外科手术；还可以帮助金属零件、贵重首饰、玻璃和陶 瓷制品除垢；超声波的另一个主要应用就是“声纳”。在一些重要性能上，如确定目标 第 2页 方位的精确度、抗干扰的能力等都远优于现代的无线电定位器，还可以用超声波探测 金属、陶瓷混凝土制品的内部结构，各种焊接结构、紧固结构的质量检查，甚至水库 大坝，检查内部是否有气泡、空洞和裂纹；超声波与计算机的信息处理技术相结合， 可以让超声波像光一样的被成像，即超声波成像
7、技术等等。本课题即采用超声波技术 来控制电风扇，如今各种特设功能的电风扇可谓五花八门，各种附加的新功能，彰显 了个性，也在无形中提高了电风扇的档次。在外观和功能上都更追求个性化，塔式气 流扇尊贵典雅，卡通台扇娇巧可爱，而电脑控制、自然风、睡眠风、负离子功能等这 些本属于空调器的功能，也被众多的遥控电风扇厂家拿来做文章，并在此基础上增加 了照明、驱蚊等更多的实用功能，但是超声波还存在很多的不足，比如发射的距离短 等等，那么随着数字化技术的发展，要解决这些不足，超声波技术就应该趋于模块化。 超声波传感技术应用生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一， 下面以医学为例子说明超声波传感技术的
8、应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾 病，它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者 无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医 务工作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，我们来看看其中有代 表性的一种所谓的A型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中 传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射 面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声振幅的 高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去， 许多技术因为无法探测到物
9、体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这 种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上， “悄无声息”地探测 人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来， 将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 2.2 超声波换能元件的原理 超声波换能元件是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率 高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波 长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液 第 3页 体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。 超声波
10、碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射波，碰到活动物体能产生多普勒效 应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。 以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就 是超声波换能元件，也称为超声波传感器。超声波的主要性能指标包括： （1）工作频率：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率 和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头，其使 用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头 的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏
11、度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度 低。 2.3 发射电路工作原理 发射电路采用强反馈振荡器形式，Q1、Q2 及超声换能元件 ZT 构成强反馈振荡网 络。ZT 既是选频元件，又是电声转换元件，它使振荡器的振荡频率固定在 40kHz 左右，同时发射出 40kHz 的超声波信号。当 S1 按下时，电源接通，电流流过发光二极 管 D2，D2 亮表示发射器处于发射状态。发射部分电路如图 2.1 所示。 图 2.1 发射部分电路原理图 2.4 接收电路工作原理 超声波换能元件 ZR 接收到的信号，经放大，出去干扰噪声后，由施密特触发器变 成脉冲信号，作为十进制计数器 CD
12、4017 的时钟脉冲，而后利用计数器的不同计数值 第 4页 控制不同的风扇调速档。 2.4.1 接收电路工作过程 接收电路具体工作过程如下：超声换能元件 ZR 将接收到的超声波信号转化成同频 电信号。该信号经 Q1 放大后，由 C2 耦合到 Q2、Q3 作选频放大，仅让 401kHz 的 信号通过，这样可消除其他频率成分的超声波干扰。R3、R4 分别是 Q2、Q3 的负载电 阻。Q3 的输出再经 C4、D1、D2 构成倍压检波整流电路，并对 C6 充电，得到的直流 电压经 R7 驱动由 Q5、Q6 构成的施密特触发器。亦即当 C6 为高电平时，经 R7 使 Q5 导通，Q6 截止。CD4017
13、 时钟端变为高电平，相当于加上一个上升沿脉冲，计数器计 数值加 1，Q1 输出高电平，Q7 导通。继电器 J1 吸合，其常开触电闭合。电风扇处于 第一挡，同时发光二极管 D6 发光，指示风速处于第一挡。当遥控器停止发射超声波信 号后，接收电路没有接收到信号，C6 通过 R7、Q5be 结、R10 放电，使 Q5 基极电压 下降，Q5 截止。Q6 饱和导通，其集电极为低电平，这个低电平加到 CD4017 的时钟 端，为下一次再来计数脉冲作准备。 当 CD4017 的计数允许端脚接低电平时，脚每来 1 个脉冲，计数值加 1。 EN 13 14 因此当第 2 次按下 S1 时，计数器进 1，Q2 输
14、出高电平，其他输出端均为低电平。继电 器 J2 导通，其常开触电 J2 闭合，J1 释放其常开触点，风扇处于第二调速挡。第 3 次 按 S1，J3 吸合，J1、J2 释放，风扇接第三挡。这样就实现了风扇的三挡遥控调速。当 第四次按下 S1 时，Q4 输出高电平，复位端 RST脚高电平，计数器复位，Q0 为高 15 电平，其余输出低电平。继电器 J1J3 均不通，风扇停止工作，实现了风扇的停机遥 控。接收电路如图 2.2 所示。 2.4.2 电路的噪声抑制 图 2.2 中 Q4 及 R8、C7、C8、D3、D4 构成噪声抑制电路，由于噪声波几乎都是 低频调幅波，而工作信号是等幅的，所以对噪声检波
15、后还得到低频噪声，而对于工作 信号检波后得到直流电压。基于上述分析，在本电路中，C5 把低频噪声取出由 Q4 再 放大，由 D4 整流。如无噪声干扰，D4 便无输出，不影响电路的正常控制。如果有噪 声干扰，在 D2 输出正向干扰电流同时，D4 输出负向干扰电流。两路电流在 Q5 基极 第 5页 叠加，因正向电流被 R7 衰减，故其强度小于负向电流，Q5 不会导通，这就实现了噪 声抑制。 2.4.3 CD4017 芯片 CD4017 是一种 CMOS 的十进制计数器/分配器集成电路，它具有十个全译码的输出 图 2.2 接收部分电路原理图 端，CP，CR，INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具
16、有脉冲整形功能，对输入时钟 脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数 功能无效。CR 为高电平时，计数器清零。其提供了快速操作，2 输入译码选通和无毛 刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对 应时钟周期内保持高电平。在每 10 个时钟输入周期 CO 信号完成一次进位，并用作多 级计数链的下级脉动时钟。如果需要，可将各输出信号耦合回到集成电路的控制端上， 以使本器件能计数到（或分频）从 2 到 9 之间的任何数值。然后要么停止要么反复循 环。多个 4017B 集成块可以被级联起来形成一个多位的十进制分频或者使得计数器具 有任何所要求的译码输出端数目。因此 4017B 是一种特别的具有多方面用途的器件， 第 6页 我们可以很容易的将其用于任何实际所需要长度的 LED 显示链的追逐或序列驱动。 CD4017 逻辑结构图如图 2.3 所示。CD4017 引脚图如图 2.4 所示。 图 2.3 CD4017 逻辑
