【正文】 度最重要的因素 ， 考慮到在精度方面的要求，采用了 集成測溫芯片 ， 對超聲波的傳播速度進行溫度補償 ,提搞測量的精度。 5 2 超聲波測距儀總體結構 超聲波測距儀的硬件結構如圖 主控器超 聲 波 發(fā) 射超 聲 波 接 收L E D 顯 示按 鍵溫 度 傳 感 器 超聲波測距儀總體結構框圖 2． 1 主控制器的選擇 方案 一 ：由 集成電路 單片機組成 本方案只需一片單片機就足以實現(xiàn)方案的所有功能，有著電路簡單、成本低功能強大、精度高等優(yōu)點。另外還可以與 PC 機通信，實現(xiàn)智能化控制與遠程控制。 方案 二 ：由組合邏輯電路組成 采用組合邏輯則所有電路均需用數(shù)字邏輯電路和部分分立元件，所以此方案系統(tǒng) 體積 龐大、所需元器件多、功能少、誤差大等缺點， 所以 該方案不宜采用。 由 以上分析，由單片機組成的控制很明顯優(yōu)于由組合邏輯電路組成的控制方案 。所以本系統(tǒng)采用由單片機控制來設計超聲波測距儀 。 2． 1． 1 主控芯片的選擇 本文以 ATMEL 公司生產(chǎn)的 51 系列家族的 AT89S51 和 AT89C2051 兩種單片機來講解，兩種單片機是目前最常用的單片機，其中 AT89S51 為標準 51 單 6 片機，當然其功能比早期的 51 單片機更強大，支持 ISP 在系統(tǒng)編程技術，內(nèi)置硬件看門狗。 AT89S51 單片機引腳介紹 有 PDIP、 PLCC、 TQFP 三種封裝方式，其中最常見的就是采用40Pin 封裝的雙列直接 PDIP 封裝，外形結構 如下圖 所 示 圖 AT89S51 單片機外形結構 芯片共有 40 個引腳，引腳的排列順序為從靠芯片的缺口 ， 左邊那列引腳逆時針數(shù)起，依次為 4|、 40，其中芯片的 1 腳頂上有個凹點在單片機的 40 個引腳中，電源引腳 2 根，外接晶體振蕩器引腳 2 根，控制引腳 4 根以及4 組 8 位可編程 I/O 引腳 32 根。 主電源引腳（ 2 根） ， VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V 電源 ， GND(Pin20)：接地線 。 7 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 ， XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 。 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期的高電平將使單片機復位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號 ， PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號 ， EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） AT89S51 單片機有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個口有 8 位（ 8 根引腳 ），共 32 根。每一根引腳都可以編程，比如用來控制電機、交通燈、霓虹燈等，開發(fā)產(chǎn)品時就是利用這些可編程引腳來實現(xiàn)我們想要的功能，盡情發(fā)揮你的想象力吧，實現(xiàn)你想要的 。 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 ～ 上面就是 AT89S51單片機引腳的簡單介紹。 2． 2 單片機外圍電路 本設計中，單片機是核心控制元器件，它控制產(chǎn)生脈沖調(diào)制信號來發(fā)送超聲波，同時接收電路將接收到的反射信號轉換成單片機所需的中斷信號，使單片機產(chǎn)生中斷，從而得到超聲波信號從發(fā)送到接收的時間間隔，然后對 DS18B20 送來的信號進行處理，得到環(huán)境溫度，根據(jù)所測的環(huán)境溫度對超聲波傳播速度時進行補償，最后計算出所測量距離，送到數(shù)碼管進得顯示。其電路如圖 所示： 8 圖 單片機外圍電路 單片機外圍電路結構及功能介紹 （ 1） 由 c1 和 c2 和 12MHZ 晶振組成起振電路。 （ 2） 由 c R1,R2 及按鍵構成復位電路。 （ 3） 由 按鍵 S1和按鍵 S2組成按鍵電路。 在電路中，按鍵 S1 用來控制是否進行測量，當電路上電后，如果按下 S1，則進入測量狀態(tài)，否則等待。在設計中，由于超聲波傳播速度受溫度的影響很大， 9 所以采用了溫度傳感器進得補償，為了使該功能更加明顯，增加了溫度顯示功能，按鍵 S2 就用實現(xiàn)溫度顯示和距離測量切換。在測量狀態(tài)和等待狀態(tài)下，只要按下 S2 鍵，就可直接對環(huán)境溫度進行顯示。在溫度顯示狀態(tài)下，按下 S1 鍵就可退出溫度顯示。 （ 4） 由 4個 8段數(shù)碼管 4個與非門 1個排阻組成 動態(tài)掃描顯示電路。 顯示部分采用的是動態(tài)掃描顯示， +5V的正電源通過排阻為 LED 提供驅動電流，四個非門實現(xiàn)動態(tài)掃描的各位選通。當要對最低位進行顯示時，通過軟件將要顯示的數(shù)字轉換成 8 段數(shù)碼管的顯示信號，通過 P0 口送到 8 段數(shù)碼管上，然后由 P2 口送出選通信號，使最低位進行顯示，利用人的視覺暫停，因此我們可以看到 LED 的顯示。 10 3 超聲波發(fā)射單元 多諧振蕩器 特點 （ 1） 多諧振蕩器沒有穩(wěn)定狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。 （ 2） 通過電容的充電和放電， 使兩個暫穩(wěn)態(tài)相互交替，從而產(chǎn)生自激振蕩，無需外觸發(fā)。 （ 3） 輸出周期性的矩形脈沖信號，由于含有豐富的諧波分量，故稱作多諧振蕩器 單穩(wěn)態(tài)電路由暫態(tài)返回到穩(wěn)態(tài)是由于電容的充放電引起的。對于多諧振蕩器，控制狀態(tài)翻轉的仍然是電容的充放電，而其中最關鍵的一點集中體現(xiàn)在 vi的電位變化假設門電路的閾值為 VTH，則電路的變化過程如下 圖 圖 電路的變化過程 (1) 第一暫態(tài)及自動翻轉過程 設 vo1=1， vo=0為第一暫態(tài)，這時 RC充放電回路如右圖。隨 著時間的增加， vi1增大，當 vi1達到 VTH時，電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉，變?yōu)椋? vo1=0， vo=1（第二暫態(tài)）。 (2) 第二暫態(tài)及自動翻轉過程 如下圖 ： 1 1RCGv i1v o1 vo1 G 2RCGv i1v o1v o1G 2V dd 11 圖 自動翻轉過程 第二暫態(tài)為 vo1=0， vo=1，這時 RC充放電回路如右圖。隨著時間的增加， vi1從其初值開始減小，當 vi1減小到 VTH時，電路的狀態(tài)發(fā)生翻轉，變?yōu)椋? vo1=1，vo=0（第一暫態(tài)）。 3． 3超聲波發(fā)射 電路 超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅動電路，振 蕩電路是由反相器 CD4069組成的非對稱式多諧振蕩器，它 產(chǎn)生 40kHZ 的方波脈沖電路如圖 G2輸出的電壓由 Rf的調(diào)節(jié)，可以改變輸入到 G1輸入端的相位 當相位達到同相時， G1和 G2實現(xiàn)正反饋， G1和 G2就成了穩(wěn)定的振蕩器 。 振蕩周期公式為 T=Rf C 因為 CD4069為 CMOS 結構，所以邏輯門前的電阻 Rp為 G1的保護電阻 。 當 Rp足夠大時， G1的輸入電流可忽略不計 。 由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以 Rf采用電位計，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點。電路中 Z1， Z2同時得到相位相反的 2路控制脈沖，提供給驅動電路。 圖 振 蕩電路 驅動控制電路圖 。 它采用了 L239 型直流電機 PWM 調(diào)速芯片，它1 1RCGv i1v o1 vo1 G 2RCGv i1v o1 v o1G 2V dd 12 內(nèi)部的 H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖 。 驅動電路的直流電源電壓可以改變，以適應不同傳感器對電壓的要求 。 振蕩電路中產(chǎn)生方波的 Z Z2端，分別接到驅動電路 IN IN2端 !控制輸出電路中 EN端為輸出使能端，它接到單片機的 ，該端口精確輸出高電平時間來控制發(fā)射方波的個數(shù) 。 這在設計上使得控制和方波產(chǎn)生相對獨立，從而使得電路簡單 ， 控制精確，易于調(diào)試 。 圖 13 4 超聲波接收單元 接收預放大單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利檢測單元的正確檢測 。 信號的最佳接收在傳感器接收到的信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。室內(nèi)環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，