【正文】 圖22 超聲波測(cè)距原理圖系統(tǒng)框圖如圖23所示：雙比較器整形電路圖23 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)工作總流程說(shuō)明：首先,系統(tǒng)初始化完成后，測(cè)溫電路開(kāi)始工作，DS18B20芯片開(kāi)始采集環(huán)境溫度并將最后采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。AT89C52單片機(jī)的一個(gè)I/O口發(fā)出一個(gè)40kHz的方波用于超聲波發(fā)射電路的輸入信號(hào)并同時(shí)開(kāi)啟計(jì)時(shí)器并初始化所有子程序，該信號(hào)經(jīng)超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的處理后輸送到超聲波的發(fā)射探頭。當(dāng)信號(hào)到達(dá)被測(cè)目標(biāo)后，立即被反射回來(lái)，而超聲波接收探頭將接收到的回波信號(hào)經(jīng)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆＝?jīng)過(guò)一級(jí)放大的信號(hào)分兩路同時(shí)輸送到雙比較器整形電路中去，如圖的A和B即為雙比較器整形電路的兩個(gè)比較器。其中一路信號(hào)經(jīng)過(guò)TGC時(shí)間增益補(bǔ)償電路經(jīng)行增益處理，然后再次放大，通過(guò)雙比較器整形電路的A比較器送入單片機(jī)。另外一路信號(hào)直接進(jìn)入雙比較器整形電路的B比較器送入單片機(jī)。雙比較器設(shè)置了不同的閾值，A比較器用于測(cè)量遠(yuǎn)距離的信號(hào)，B比較器用于測(cè)量近距離的信號(hào)，因此不符合的信號(hào)會(huì)被完全屏蔽掉，系統(tǒng)的精度得到非常大的提升。單片機(jī)收到回波信號(hào)后立即經(jīng)行中斷處理，獲取時(shí)間差值，即可計(jì)算出測(cè)量的最后結(jié)果。該測(cè)量結(jié)果由顯示電路輸出，該顯示模塊主要由74LS245鎖存器來(lái)驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED數(shù)碼管，采用了動(dòng)態(tài)顯示的方法，占用的I/O資源更少，充分發(fā)揮了軟件作用。具體電路及芯片選型將在下一章詳述。３　硬件設(shè)計(jì)　硬件的選型　主控單片機(jī)的選型本系統(tǒng)中，單片機(jī)主要用于控制超聲波的發(fā)射和接收，與此同時(shí)，還要進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)間的記錄，也就是說(shuō)需要在發(fā)送的同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，并且在接收到回波的時(shí)候立刻停止計(jì)時(shí)并將時(shí)間長(zhǎng)度值返回，用于計(jì)算目標(biāo)距離。其次，超聲波還要負(fù)責(zé)控制其他外圍電路，比如，本設(shè)計(jì)中的溫度補(bǔ)償電路采用了一塊收發(fā)溫度信號(hào)的芯片，由單片機(jī)控制，將環(huán)境溫度采集后進(jìn)行查溫度與速度表，用于確定當(dāng)前環(huán)境下具體溫度，最終目的是獲取當(dāng)前環(huán)境的聲波的準(zhǔn)確傳播速度，使得測(cè)距結(jié)果更加準(zhǔn)確。此外，單片機(jī)還需要負(fù)責(zé)控制顯示電路，將測(cè)量出的距離的結(jié)果通過(guò)LED數(shù)碼管直觀的顯示出來(lái)。經(jīng)過(guò)研究，選用AT89C52單片機(jī)作為電路的主控芯片，AT89C52是Atmel公司的一個(gè)經(jīng)典的MCU，它有著低電壓的特點(diǎn)。是一個(gè)八位的高性能CMOS芯片,片內(nèi)有8K Bytes ISP的只讀程序存儲(chǔ)器,該存儲(chǔ)器可以多次的寫(xiě)入和刪除數(shù)據(jù),反復(fù)使用的次數(shù)高達(dá)一千次。擁有可編程的Flash，這些特點(diǎn)表明AT89C52可以滿足多種系統(tǒng)的需要，使用的靈活性很高。AT89C52芯片擁有40個(gè)引腳，充足的32個(gè)可編程雙向I/O口，在該超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，這樣多的雙向I/O口可以使所有需要的外設(shè)電路方便的與單片機(jī)連接起來(lái)，還有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。詳細(xì)來(lái)說(shuō)，P0口：8位漏極的開(kāi)路雙向輸入/輸出口，作為輸出口時(shí)，每位可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。特別地，P0口作為低八位地址/數(shù)據(jù)口時(shí)內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，使用時(shí)需要外接上拉電阻。不同于P0口的是，P1口是一個(gè)內(nèi)部有上拉電阻的雙向輸入/輸出口，緩沖器輸出能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。P1口的第二功能如表31所示：表31 AT89C52 第二功能說(shuō)明表引腳號(hào)第二功能T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入）、時(shí)鐘輸出T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）續(xù)表31：引腳號(hào)第二功能RXD(串行輸入口)TXD(串行輸出口)INT0(外中斷0)INT1（外中斷1）T0 (定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）實(shí)物圖片如圖31所示：圖31 AT89C52芯片實(shí)物圖　超聲波傳感器的選型本設(shè)計(jì)中選用的是型號(hào)為T(mén)/R4018A的壓電式換能器，具體參數(shù)如表32所示：表32 T/R4018A超聲波換能器相關(guān)參數(shù)型號(hào)中心頻率（kHz）發(fā)射聲壓最小電平（dB）接收最小靈敏度(dB)最小寬帶(kHz/dB)電容pF發(fā)射接收T/R4018A40177。1115646/10060/712400177。25%該超聲波換能器分為發(fā)出超聲波的部分和接收超聲波的部分，電磁的振蕩被發(fā)射端發(fā)出，接著轉(zhuǎn)換為超聲波然后發(fā)送到外界。收到的超聲波被接收器進(jìn)行一定的處理，將聲音和電這兩種能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后使得接收到的信號(hào)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。其中T為發(fā)出端，R為接收端，它們一般是在同一系統(tǒng)中共存。工作原理簡(jiǎn)單總結(jié)如下，在輸入40kHz的頻率下，壓電陶瓷、諧振片會(huì)被轉(zhuǎn)變成機(jī)械的振動(dòng)，接著就把超聲的這個(gè)信號(hào)的振動(dòng)發(fā)到外界去。被發(fā)出的超聲波向空中各個(gè)方向不斷傳播，碰到物體后就立刻被反射回來(lái)。接收端隨即收到回來(lái)的這部分超聲波，對(duì)內(nèi)部的諧振片產(chǎn)生一個(gè)諧振，將接收的聲波轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，接著將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)輸入到放大電路中，然后輸出最終信號(hào)。其頻率特性為圖32所示： (a) 聲壓能級(jí)曲線 (b)靈敏度曲線圖32超聲波換能器頻率特性從圖中很容易看出，它的聲壓性能大約在40kHz時(shí)最優(yōu)，靈敏度也同樣。因此該測(cè)距系統(tǒng)選用該頻率作為傳感器的工作頻率。圖33 T/R4018A實(shí)物圖　溫度傳感器的選型本設(shè)計(jì)采用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器作為測(cè)量和向單片機(jī)輸入環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的核心元件。DS18B20溫度傳感器是一個(gè)以9位數(shù)字信息反映溫度值的一個(gè)器件，通過(guò)一個(gè)單線口既可以用來(lái)接收也可以用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，因此，該芯片使用時(shí)只需和單片機(jī)用一根連接線即可以達(dá)到讀取和傳送溫度值的目的，由于電源和信號(hào)是復(fù)合起來(lái)的，所以不需要另外加一個(gè)外界的電源就可以工作。DS18B20是電子元器件中最早的一個(gè)支持“一跟總線”的有三個(gè)接口的測(cè)量和傳遞溫度的傳感器，該優(yōu)點(diǎn)可以靈活組建電路，而且更加經(jīng)濟(jì)，占用的體積更小。且每個(gè)DS18B20芯片都具有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的編碼，支持物聯(lián)網(wǎng)的尋址，DS18B20的引腳如圖34所示：圖34 DS18B20 管腳圖圖35 DS18B20測(cè)溫芯片實(shí)物圖 引腳說(shuō)明如表33所示：表33 DS18B20溫度傳感器引腳表16腳SSOPPR35符號(hào)說(shuō)明91GND接地82DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。對(duì)于單線操作：漏極開(kāi)路73VDD可選的VDD引腳。注：上表中沒(méi)有提到的引腳均為空腳，沒(méi)有連接。?。茫校漳K電路的設(shè)計(jì)CPU模塊主要用于控制各子電路的工作,電路原理圖如圖36所示：圖36 CPU模塊電路圖P0、（RXD）、（TXD）用于接串口通信電路，（INT0）、 （INT1）用于接雙比較整形電路的2路輸入信號(hào)。另外AT89C52的VCC引腳需要外接一個(gè)5V直流電源，由電源模塊產(chǎn)生，GND引腳接地。在XX2接時(shí)鐘電路，本設(shè)計(jì)中，由于測(cè)距系統(tǒng)需要采集超聲波發(fā)送和接收的時(shí)間差，需要計(jì)時(shí)，故選用12 MHz的晶振，這樣分頻后就是整數(shù)，能使計(jì)時(shí)更加精確。此外，RESET用于接復(fù)位電路，當(dāng)單片機(jī)需要復(fù)位時(shí)按下開(kāi)關(guān)S1，外部復(fù)位電路產(chǎn)生2機(jī)周以上的高電平，是單片機(jī)完成復(fù)位?！‰娫措娐返脑O(shè)計(jì)由于該系統(tǒng)需要用到5V的電源，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)如下電路，電路原理圖如圖37所示：圖37 電源電路原理圖該電路主要作用是通過(guò)將220V的交流電變?yōu)榉€(wěn)定的5V直流電，用于系統(tǒng)的供電。主要步驟如表34所示：表34 標(biāo)準(zhǔn)電源電路工作流程名稱作用降壓通過(guò)變壓器將220V降為9V整流將得到的9V電源通過(guò)整流橋，將交流電變成直流電，這樣做的好處是：即使粗心電源接反，也不用擔(dān)心單片機(jī)會(huì)被燒毀穩(wěn)壓通過(guò)三端正穩(wěn)壓電路7805將電源穩(wěn)壓成5V直流電源提供給系統(tǒng)使用濾波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續(xù)表34：濾波高頻內(nèi)阻，大的電解電容等效電感較大，小電容提供一個(gè)小內(nèi)阻的高頻通道，降低電源的全頻帶內(nèi)阻。右邊電容是5V電源的濾波電容直流穩(wěn)壓電源的工作流程如圖38所示：t圖38 直流穩(wěn)壓電源工作流程圖通過(guò)以上步驟即可以得到系統(tǒng)所需的穩(wěn)定的5伏直流電源，最后在該電源電路中并聯(lián)了一個(gè)二極管，以便于觀察系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)?！“l(fā)射電路的設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射器利用主要是利用超聲波發(fā)射探頭的壓電晶體振動(dòng)從而帶動(dòng)周?chē)諝庹駝?dòng)來(lái)工作。超聲波發(fā)射包括兩部分的內(nèi)容：首先是超聲波的發(fā)射電路，本設(shè)計(jì)中選用4069非門(mén)組成，當(dāng)輸入口輸入的信號(hào)為高時(shí)，經(jīng)過(guò)反相器變?yōu)榈碗娖?；?dāng)輸入口輸入信號(hào)為低時(shí)，經(jīng)過(guò)反相器后變?yōu)楦唠娖?，這樣就實(shí)現(xiàn)了振蕩的信號(hào)，以此來(lái)對(duì)發(fā)射探頭進(jìn)行控制。其次是超聲波發(fā)射控制電路，采用軟件控制的方式，通過(guò)以上驅(qū)動(dòng)電路來(lái)使超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖39所示：圖39 超聲波發(fā)射電路原理圖　接收電路的設(shè)計(jì)接收電路主要由三部分組成，用來(lái)接收反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，超聲波換能器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，雖然完成了聲電轉(zhuǎn)換，但得到的這個(gè)信號(hào)并不能被單片機(jī)直接接收，需要通過(guò)一定的調(diào)理信號(hào)經(jīng)行處理，先將回波信號(hào)經(jīng)行一定的放大。然后，為了使反射回來(lái)的超聲波更加穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間增益補(bǔ)償處理。最后，為了減小盲區(qū)，需要采用雙比較器來(lái)對(duì)遠(yuǎn)近信號(hào)經(jīng)行比較，接著就可以將處理過(guò)的回波信號(hào)傳入單片機(jī)，得到測(cè)量距離?！』夭ń邮占盀V波放大電路由于超聲波在傳遞的過(guò)程中能量會(huì)衰減，因此，首先我們需要將接收探頭接收到的信號(hào)進(jìn)行一定的放大，該放大電路的核心元件為NE5532運(yùn)放器，這是一個(gè)性能較高而噪聲較低的雙運(yùn)放器，而且該器件占用的信號(hào)和電源的帶寬都不高，和大多數(shù)的普通運(yùn)放相比顯示出較高的性能。本設(shè)計(jì)采用的放大電路如