【正文】 號(hào)放大整形，超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個(gè)下拉電平使單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中 ，單片機(jī)從溫度檢測(cè)電路讀取數(shù)值并換算成當(dāng)前溫度下的聲速，應(yīng)用時(shí)差法計(jì)算所檢測(cè)的距離，最后所有的數(shù)據(jù)都在 LED 顯示電路上顯示。結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 圖 22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)及顯示電路設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用 STC89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS245 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動(dòng)。 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。圖 31示出了八段 LED數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。圖 31(a)為八段共陰極數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖 31(b)是它的原理圖，圖31(c)為八段共陽(yáng) LED顯示管原理圖。八段 LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號(hào)是 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g和 SP，分別與同名管腳相連。 圖 31 LED結(jié)構(gòu)圖 超聲波發(fā)射電 路 超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭的型號(hào)選用 CSB40T（其中心頻率為 40KHz）?？梢圆捎密浖a(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過(guò)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但是需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為100mA 以上的驅(qū)動(dòng)電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是無(wú)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9 需驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。本次我們采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，非門可以選用 74LS04，具體電路如圖 32 所示。 圖 32 發(fā)射電路圖 從圖中可知，當(dāng)輸入的信號(hào)為高電平時(shí)，上面經(jīng)過(guò)兩級(jí)反向 CSB40T 的 1引腳為高電平，下面經(jīng)過(guò)一級(jí)反向后為低電平；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，正好相反，實(shí)現(xiàn)了振蕩的信號(hào)驅(qū)動(dòng) CSB40T，只要控制信號(hào)接近 40KHz，就能產(chǎn)生超聲波。 40kHz 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波發(fā)生器采用 UCM40 的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是 40kHz 的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可由單片機(jī)的 端口來(lái)產(chǎn)生，其 40kHz 的脈沖信號(hào)產(chǎn)生程序如下： for(i=0。i8。i++) { _nop_()。 TX!=TX。 ) 輸出的 40kHz 脈沖信號(hào)經(jīng)三極管 T 放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭 UCM40T，發(fā)出 40kHz 的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射 200us。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接 端口，工作原理與前方測(cè)距電路相同。 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 超聲波接收電路 超聲波接收包括接收探頭，信號(hào)放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號(hào)，否則可能導(dǎo)致接收效果甚至不能接收。由于超聲波接收探頭的信 號(hào)非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過(guò)波形變換。本次設(shè)計(jì)為了降低調(diào)試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，所以我們采用了一種用在彩色電視機(jī)上面的一種紅外接收檢波芯片 [10]CX20216，由于紅外遙控的中心頻率在 38KHz，和超聲波的 40KHz 很接近，所以可以用來(lái)做接收電路。接受電路如圖 32 所示。 圖 33 接收電路圖 使用 CX20216A 集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益 80db。以下是 CX20216A 的引腳注釋。 （ 1） 1 腳：超聲信號(hào)輸入端， 該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。 （ 2） 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R14或減小 C5,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C5 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R14=10Ω，C5=1μf （ 3） 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 。 （ 4） 4 腳：接地端。 （ 5） 5 腳：該引腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。 （ 6） 6 腳： 該引腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 （ 7） 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為 22kΩ，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。 （ 8） 8 腳：電源正極， ～ 5V 距離計(jì)算 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定 時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)示信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)示，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其部分源程序如下： void Conut(void) { time=TH0*256+TL0。 TH0=0。 TL0=0。 temp=readtemptaure()。 delay1(10)。 c=+*temp。 c=c/150。 S=(time*c)/100。 if((S=200)||flag==1) { SPEAK=0。 delay1(200)。 flag=0。 disbuff[0]=10。 //顯示 “” disbuff[1]=10。 //顯示 “” 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 disbuff[2]=10。 //顯示 “” } else { disbuff[0]=S%1000/100。 disbuff[1]=S%1000%100/10。 disbuff[2]=S%1000%10 %10。 } Display()。 RS232 串口通信電路設(shè)計(jì) RS232 是單片機(jī)間，或單片機(jī)與上位機(jī)間通訊聯(lián)絡(luò)用。 MAX232 作為 RS232 的電平轉(zhuǎn)換芯片，完成 TTL 電平到 RS232 電平的轉(zhuǎn)換。 MAX232 是一種雙組驅(qū)動(dòng)器／接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單 5V 電源供電時(shí)提供EIA／ TIA232電平。典型的 RS232 信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在 +5～ +15V，負(fù)電平在 5～ 15V 電平。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為 TTL，從開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 RS232 電平再返回 TTL 電平。電容可以取 到 10uF之間的電容，有極性無(wú)極性均可，但是使用有極性的電容一定注意正負(fù)方向。據(jù)查閱資料：由 RS232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于 4％的情況下，傳輸電纜長(zhǎng)度應(yīng)為 15m，在實(shí)際應(yīng)用中。約有 99％的用戶是按碼元畸變 1020％的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)15m，一般能滿足個(gè)人和近距離設(shè)備的需要。 為了能將編譯后的程序文件下載到單片機(jī)中，用到 了 MAX232 芯片。在最簡(jiǎn)單的 RS232 直接傳送通信系統(tǒng)中，只要發(fā)送和接收雙方同時(shí)準(zhǔn)備好，僅用信號(hào)發(fā)送端 (TXD) ，信號(hào)接收端 (RXD) 和信號(hào)地 (GND)3 根線即可進(jìn)行通信。在89C52 單片機(jī)系統(tǒng)中，分別從 和 引出串口線 RXD 和 TXD 轉(zhuǎn)換成RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)的電平，這樣，二者之間就可以通過(guò) RS232 接口進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳送，其電路圖如下圖 34 所示。 PC 機(jī)與單片機(jī)的硬件連接 串口是 PC機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議。多數(shù) PC機(jī)提供兩個(gè) 9針或 25針的 RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，簡(jiǎn)稱為 COM1和 COM2。大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與智能基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 13 單元之間只要使用 3到 5根信號(hào)線即可工作，需使用 IXD(發(fā)送數(shù)據(jù) )、 RXD(接收數(shù)據(jù) )、 GND(地線 )等信號(hào)線，但有時(shí)還需使用 RTS(發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求 )、 CTS(清除發(fā)送 )、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒 )、 DSR(數(shù)據(jù)發(fā)送就緒 )等信號(hào)線。 串口通信的實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)硬件系統(tǒng)是一個(gè)典型的信號(hào)采集系統(tǒng)， PC機(jī)控制端先給單片機(jī)發(fā)送“開(kāi)始指令 ”和有關(guān)系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)，單片機(jī)接收到后硬件系統(tǒng)開(kāi)始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號(hào)經(jīng)放大和 A/D變換后送入單 片機(jī)，單片機(jī)把處理后的數(shù)據(jù)按每個(gè) 180個(gè)字節(jié)為一幀整理成幀，然后通過(guò) RS232接口傳到計(jì)算機(jī) [18]。計(jì)算機(jī)首先對(duì)單片機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的接收，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，然后再進(jìn)行必要的處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。 PC機(jī)也可以隨時(shí)向單片機(jī)發(fā)送指令，使單片機(jī)根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 圖 34 TTL轉(zhuǎn) RS232接口電路 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 電源電路 電源電路提供系統(tǒng)運(yùn)行的能量，所以在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)保證原理正確的前提下，考慮電源容量并保證一定的余量。 為獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源電路，可通過(guò)降壓，整流，穩(wěn)壓 ，濾波四個(gè)環(huán)節(jié)得到 5V的直流穩(wěn)壓電源： 1） 降壓：可通過(guò)變壓器將市電轉(zhuǎn)變后，選擇輸出電壓為 7～ 9 伏之間電源。 2）整流：將變壓后的電源通過(guò)四個(gè)整流二極管 4007 組成的整流橋，將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，因此即使粗心電源接反單片機(jī)也不會(huì)燒掉，而電路也是正常工作的。 3）穩(wěn)壓：通過(guò)三端正穩(wěn)壓電路 7805 穩(wěn)壓成 5 伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用。 4） 濾波： 7805 左邊兩個(gè)是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因?yàn)榇蟮碾娊怆娙菀话悴捎镁砝@工藝制造 ,所以等效電感較大 ,小電容可以提供一個(gè) 小內(nèi)阻的高頻通道 ,降低電源全頻帶內(nèi)阻。 7805 右邊兩個(gè)電容是 5 伏電源的濾波電容。 通過(guò)以上四個(gè)環(huán)節(jié)即得到 5V 的直流穩(wěn)壓電源。整個(gè)電源電路都是圍繞這種7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，這樣就可以為單片機(jī)提供安全且穩(wěn)定的電源了，最后再并接一個(gè)高亮發(fā)光二極管來(lái)指示單片機(jī)的工作狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)的總電源電路圖如 35： 圖 35 電源電路圖 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 復(fù)位是單片機(jī)初始化操作，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部分都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。復(fù)位輸入端管腳 RST 通過(guò)一個(gè)施基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 15 密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，主要是用來(lái)抑制噪聲。 圖 36 為按鈕復(fù)位電路。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了防止干擾竄入復(fù)位端，引起內(nèi)部某些寄存器錯(cuò)誤復(fù)位，可在 RST 端管腳上可接一個(gè)去藕電容。 圖 36 單片機(jī)復(fù)位電路圖 聲光報(bào)警顯示電路的設(shè)計(jì) 此模塊主要為聲光顯示功能，以提示是否進(jìn)入或退出調(diào)整電子時(shí)鐘界面，更具有人性化。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)， P1 口的 8 個(gè)發(fā)光二極管（除了 ）全部點(diǎn)亮；當(dāng)進(jìn)入時(shí)間調(diào)整的時(shí)候， P1 口的 8 個(gè)發(fā)光二極管只有高四位點(diǎn)亮，且蜂鳴器發(fā)出兩聲急促響聲，此時(shí)即可 開(kāi)始調(diào)時(shí)；調(diào)時(shí)完畢后，蜂鳴器再次發(fā)出兩聲急促的響聲，然后 8 位發(fā)光二極管回到正常工作時(shí)的點(diǎn)亮狀態(tài)。發(fā)光二極管電路中采用共陽(yáng)法，即當(dāng)單片機(jī) I/O 口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮；在蜂鳴器電路中，采用了 PNP 三極管 9012 來(lái)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)該端口輸出低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲，其電路圖如下圖 36，圖 37： 圖 37 P1 口二極管發(fā)光電路 圖 38 蜂鳴器電路 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 鍵盤電路的設(shè)計(jì) 如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花費(fèi)實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，是人機(jī)接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 可選擇的方案有以下兩種： 方案一：采用行列式鍵盤方式輸入。用較少的 I/O 口就能夠連接很多按鍵，適宜于硬件資源緊張的情況。 方案二：采用獨(dú)立按鍵方式輸入。該方式的優(yōu)點(diǎn)是在軟件上對(duì)按鍵輸入的處理比較簡(jiǎn)單、方便；在硬件上占用的 I/O 口數(shù)比較多。 由于本設(shè)計(jì)中所需 I/O 口不是很多，且 I/O 資源很充裕因此選擇了方案二。 本模塊電路占用了單片機(jī)的 ~ 四個(gè) I/O 口，主要是完成時(shí)鐘調(diào)整功能，單片機(jī)系統(tǒng)初始化后， I/O 端口輸出高電平，由于按鍵的另一端