【文章內(nèi)容簡介】 時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值相應(yīng)的越來越小。同時，接收信號的衰減程度總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，才能有輸出信號。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問題。 在使用一個探頭的情況下，發(fā)射信號的幅值要維持到低于引起探頭振動時，接收信號才基本上擺脫了發(fā)射信號的影響而能夠明顯 地分辨出來。所以把這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。當(dāng)開始計時，測量超聲波在空氣中的傳播時間才有效。 13 但是，當(dāng)探測距離很遠(yuǎn)時，為了增大發(fā)射功率，須采用特殊形式的大功率超聲發(fā)射傳感器，但這些傳感器的接收靈敏度一般很低，甚至無法用于接收，在這種情況下，選用兩個換能器分別用于發(fā)送和接收。而使用雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一 定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。 所以，在本實驗中，我們選取了雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離精度。 提高測距儀性能的若干措施 聲速校正 要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速 c 必須恒定，實際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。對一定介質(zhì)，通常采用對溫度進(jìn)行修正的方法，可以測得比較準(zhǔn)確的距離。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實際環(huán)境。 減小盲區(qū)措施 (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采 用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震 (拖尾 )減少，此法常用于短距離測量距離 。 (2)采用自動距離增益控制 14 采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信號的幅度增大，以提高測量的精度 。 (3)信噪比問題 超聲波測距儀都有確定的量程。量程主要決定于接收信號的幅值應(yīng)大于規(guī)定的闡值。這個閡值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類 為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作頻率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時要求對環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 15 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 電路工作原理及設(shè)計 主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分組成。利用單片機(jī)來實現(xiàn)對超聲波和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過 INT0 引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測 INT1 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就 認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。結(jié)構(gòu)框圖如圖 3— 1所示。 圖 超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主要電路具體設(shè)計及主要器件介紹 電路 采用 L7805CV 作為電源電路將 +12V 電壓轉(zhuǎn)換為 +5V 電壓，控制器選用STC12C2052 單片機(jī) ,晶振 為 ,單片 機(jī) INT0 口輸出超聲波換能器所需的40KHz 方波信號 ,由 CX20206A 紅外接收芯片和 TCT4010 系列 超聲波換能器 來實現(xiàn)超聲波信號的接受和發(fā)射 控制 ，經(jīng)計算，距 離由顯 示電路 顯示， 采用簡單的 3位共 陽極 LED 數(shù)碼管 進(jìn)行動態(tài)顯示 。 電源電路 16 圖 電源電路原理圖 本系統(tǒng)中使用到的電源包括 +5V 和 +12V，其中 +12V 電壓由直流穩(wěn)壓電源提供，通過電源接頭提供給電路板。用 L7805CV 為主的電路將 12V 電壓轉(zhuǎn)換 +5V 電壓。L7805CV 的外形如圖 3— 3所示。 圖 L7805CV 的外形圖 這是一個三端集成穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路，整流濾波后得到的 +12V 電壓，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓 +5V，為了改善紋波電壓，在輸入端接入電容 C0，其值為 100uF。同時在輸出端上接入電容 C0，其值為 100uF,以改善負(fù)載的瞬態(tài)響 17 應(yīng)。以防輸出電壓過高，所以在輸入端和輸出端之間跨接一個保護(hù)二極管V2(IN4007)，其具體作用是在輸入端短路時使輸入端和地之間的電容 C0 通過二極管放電，以保護(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整管。 我國電源提供的交流電一般為 220V，而各種電子設(shè)備所需要的直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的直流電壓幅值。直流電源組成如圖 3— 4所示。 圖 直流電源組成 其中整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動電壓，但其中包含很大脈動成分，距理想電壓還差很遠(yuǎn)。濾波器由電容電感等儲能元件組成，它的作用是盡量將單向脈動電壓中的脈動成分濾掉，輸出比較平滑的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時，濾波器輸出的直流電壓的幅度也將隨之變化，在要求比較高的電子電路 中這是不符合要求的。穩(wěn)壓電路的作用是采取措施使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。這個電源就是根具其基本原組成在其基礎(chǔ)上按實際需要和實際情況設(shè)計的。 微處理器電路 18 微處理器電路原理圖如圖 3— 5 所示。 圖 微處理器電路原理圖 微處理器的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，一種是內(nèi)部方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路；另一種方式為外部方式。 引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體 (或陶瓷諧振器 )及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C C2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫 19 度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，建議電容使用 30pF177。10 pF，而如果使用陶瓷諧振器建議選擇 40pF177。10 pF連接方式。本設(shè)計采用內(nèi)部方式，晶振用 。 微處理器命名 STC12 系列單片機(jī)是美國 STC 公司在 8051 單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對芯片內(nèi)核進(jìn)行了較大改進(jìn)后推出的一個增一強(qiáng)型功能的 8051 的單片機(jī)，具有很多很強(qiáng)的新功能。 STC12 系列是從 引 腳到內(nèi)核及指令上都完全兼容 8051 的單片機(jī) 。有 32 腳 PLCC(27 個 I/0 口 )， 28腳 DIR(23 個 I/O 口 )， 20 腳 DIP(15 個 I/O 口 ).三種封裝形式，在芯片型號命名上 。12 代表工作頻率是普通 8051 速度的 8~12倍 :C 代表工作電壓 ～ ， LE 代表 ～ 。20 代表 2K 字節(jié)； 52 代表RAM是 256 字節(jié) ； AD 表示有 A/D 轉(zhuǎn)換功能。 STC12C2052 單片機(jī)引腳 如圖 3— 6所示。 圖 STC12C2052 單片機(jī)引腳 STC12C2052 為 20 引腳小型封裝， 2K 內(nèi)部程序存儲器， 15 個可編程 I/O 線，沒有 P0 口和 P2 口的 16 根 I/O 線，內(nèi)部集成了一個模擬比較器。芯片引腳的排列順序為從靠芯片的缺口（見上圖）左邊那列引腳逆時針數(shù)起，依次為 20 ? 、 20，在單片機(jī)的 20 個引腳中，電源引腳 2 根，外接晶體振蕩器引腳 2根，復(fù)位引腳 1根以及 P P3 口可編程 I/O 引腳 15 根 。 主電源引腳（ 2根） (Pin20)：電源輸入，接＋ 5V 電源 2. GND(Pin10)：接地線 外接晶振引腳（ 2 根 ） 1. XTAL1(Pin5)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端 2. XTAL2(Pin4)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 控制引腳（ 1 根） RST：復(fù)位引腳 可編程輸入 /輸出引腳（ 15 根） 1. P1 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線， ～ ，共 8 根 2. P3 口： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線， ～ 、 ，共 7根 芯片 特點： （ 1） 增強(qiáng)型 1T 流水線 /精簡指令集結(jié)構(gòu) 8051 CPU； （ 2） 工作電壓： ～ ～ ； （ 3） 工作頻率范圍： 035MHz，相當(dāng)于 普通 8051的 0～ 420MHz； （ 4） 用戶應(yīng)用程序空間 512/1K/2K/3K/4K/5K 字節(jié) ； （ 5） 片上集成 256 字節(jié) RAM； （ 6） 15 個通用 I/O 口 ，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入 /高阻，開漏 ； （ 7）EEPROM 功能 ； （ 8） 共 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器 ； （ 9） PWM(2 路） /PCA（可編程計數(shù)器陣列） ； （ 10） ADC,8 路 8 位精度 ； （ 11） 通用異步串行口 (UART)；（ 12） SPI 同步通信口，主模式 /從 模式 ； （ 13） 看門狗 ； （ 14） 內(nèi)部集成 R/C振蕩器，精度要求不高時可省外部晶體 ； （ 15） ISP/IAP； （ 16） 工作溫度范 21 圍： 0～ 75℃/ 40～ 85℃ ； （ 17） 封裝： PDIP20， SOP20(寬體 )， TSSOP20(超小封狀 )。 選擇 STC12C2052AD 系列單片機(jī)的理由 （ 1） 加密性強(qiáng) ,無法解密 （ 2） 超強(qiáng)抗干擾 : A、高抗靜電（ E S D 保護(hù)） B、輕松過 4KV 快速脈沖干擾 (EFT 測試） C、寬電壓，不怕電源抖動 D、寬溫度范圍 ,40℃ ～ 85℃ E、 I/O 口經(jīng)過特殊處理 F、單片機(jī)內(nèi) 部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理 G、單片機(jī)內(nèi)部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理 H、單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過特殊處理 I、單片機(jī)內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理 J、 1 個時鐘 /機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低 E MI （ 3） 超低功耗 : A、掉電模式：典型功耗 B、空閑模式：典型功耗 1mA C、正常工作模式：典型功耗 4mA～ 7mA D、 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)，如水表、氣表、便攜設(shè)備等。 22 E、 在系統(tǒng)可編程 ,無需編程器 ,可遠(yuǎn)程升級