怎样制作超声波“电筒”

　　超声波“电筒”不是通常意义上的电筒，它既不发光，也不发声，可以在旁人毫无觉察的情况下，探测出前方2m范围内的障碍物。超声波电筒可以作为盲人行路的有力助手，帮助肓人“看见”前方的障碍物，如下图所示。它还可以作为游戏的有趣用具=蒙上眼睛，依靠超声波电筒，看谁能迅速绕过障碍物。

　　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。