【文章內(nèi)容簡介】 NDGNDGNDP15P16P17RST3 4U4BSN74LS04D1 2U4ASN74LS04D5 6U4CSN74LS04D89U4DSN74LS04D1011U4ESN74LS04DLS1TX(F)R81K1KR9VCCP101 2 3 4 5 6 7 8J4 CX20206LS4RX(S)C111044K7R14C10C17C6330P200KR15220KR16C9473VCCP32IN12OUT3GNDU778051KR30 D1POWERD22061000uF/25VC16123J3POWER104C8VCC470uF/25VC15104C7S1SWPBS2SWPBS3SWPBS4SWPB10KR510KR610KR710KR8VCCP20P21P22P23 超聲波液位儀硬件設計 單片機電路 作為超聲波液位儀系統(tǒng)的核心部件，單片機的選擇對整個系統(tǒng)功能的優(yōu)化起著至關重要的作用。面向工控領域的單片處理器，目前廣泛應用的有 51 系列的 8 位單片機及面向大量數(shù)字信號處理領域的數(shù)字信號處理器 (DSP)。 DSP 器件在工控領域的應用，從長遠看是一個必然的趨勢，但目 前 DSP 器件的使用偏重于高端應用領域，對于智能儀表所開發(fā)的功能得不到充分利用，不能很好的體現(xiàn)器件優(yōu)勢。 51 單片機具有開發(fā)技術成熟、應用廣泛等優(yōu)點，尤其是在 ATMEL 公司將Flash存儲技術應用到單片機產(chǎn)品中，將 Flash存儲技術與 Intel公司的 MCS51 核心技術相結(jié)合，形成了 AT89 系列單片機 [16]。 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能， CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器和 128 位的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM） ,器 件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 A。 T89C51 單片機的高性價比，可靈活應用于各種控制領域。 按設計要求，根據(jù)超聲波液位儀原理，以 AT89C51 單片機系統(tǒng)為核心電路，開發(fā)超聲波液位儀。它的部分引腳具體說明如表 ： 表 單片機部分引腳介紹 名稱 管腳名 類型 名稱和功能 DIP LCC QFP GND 20 22 16 I 地 Vcc 40 44 38 I 電源：提供掉電、空閑、正常工作電 壓 RST 9 10 4 I 復位：當晶振在運行中，只要復位管腳出現(xiàn) 2 個機器周期高電平即可復位，內(nèi)部有擴散電阻鏈接到 Vcc 即可實現(xiàn)上電復位。 XTAL2 18 20 14 O 晶體 2：反向振蕩放大輸出 XTAL1 19 21 15 I 晶體 1：反向振蕩放大器輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路輸入 /PSEN 29 32 27 O 程序存儲使能：當執(zhí)行外部程序存儲器代碼時， /PSEN 每個機器周期被激活兩次，在訪問外部數(shù) 據(jù) 存儲器時， /PSEN 無效，訪問內(nèi)部程序存儲器時 /PSEN 無效。 /EA/VPP ALE 31 35 29 I 外部尋址使能 /編程電壓：在訪問整個外部程序存儲器時， /EA 必須外部置低。如果 /EA 為高時，將執(zhí)行內(nèi)部程序，除非程序計數(shù) 器包含大于片內(nèi) FLASH 的地址。該引腳在對 FLASH 編程時接 5V/12V 編程電壓。如果保密位 1 已編程， /EA 在復位時由內(nèi)部鎖存。 ALE 30 33 27 0 地址鎖存使能：在訪問外部存儲器時，輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下， ALE 輸 出信號恒定為 1/6 振蕩頻率。并可用作外部時鐘或定時，注意每次訪問外部數(shù)據(jù)時一個 ALE 脈沖將被忽略。 復位電路 AT89C51 的上電復位電路如 圖 所示 ，只要在 RST 復位輸入引腳上接一電容至 Vcc 端，下接一個電阻到地即可。對于 CMOS 型單片機，由于在 RST 端內(nèi)部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減至 1181。F。上電復位的工作過程是在加電時，復位電路通過電容加給 RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著 Vcc對電容的充電過程而逐漸回落，即 RST 端的高電平持續(xù)時間取決于 電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠地復位， RST 端的高電平信號必須維持足夠長的時間。上電時， Vcc的上升時間約為 10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如晶振頻率為 10MHz，起振時間為 1ms；晶振頻率為 1MHz，起振時間則為 10ms。 在圖 的復位電路中，當 Vcc 掉電時，必然會使 RST端電壓迅速下降到 0V 以下，但是，由于內(nèi)部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)，復位后，系統(tǒng)將端口置為全“ l”態(tài)。如果系統(tǒng)在上電時得不到有效的復位，則程序計數(shù)器 PC 將得 不到一個合適的初值，因此， CPU 可能會從一個未被定義的位置開始執(zhí)行程序。 10KR32+C19GNDVCCVCCRST/VpdGND 圖 （上電復位） 電源電路設計 電源是整個系統(tǒng)的能源中心，系統(tǒng)中所有器件的運作都需要電源來提供能量，因此系統(tǒng)電源的質(zhì)量在很大程度上影響到單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，如圖 所示： 圖 電源電路設計框圖 直流電源的輸入為 220V 的電網(wǎng)電壓，一般情況下，所需直流電壓的數(shù)值和電網(wǎng)電壓的有效值相差較大，因而需要通過電源變壓降壓后，再對交流電壓進行處理。變壓器副邊與原邊的功率比為 P2/ P1=η，η 是變壓器的效率。濾波的任務，就是把整流器輸出電壓中的波動成分減少，輸出恒穩(wěn)的直流電。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。各濾波電容 C 滿足公式（ ）： RC=（ 3～ 5） T/2 () 式中 T 為輸入交流信號周期， RC 為整流濾波電路的等效負載電 [21]。電源電 路設計，如圖 所示。 變壓器 整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路 IN12OUT3GNDU778051KR30 D1POWERD22061000uF/25VC16123J3POWER104C8VCC470uF/25VC15104C7圖 電源電路 H7805 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路 ,TO220 封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 結(jié)構(gòu)如圖 ， 電氣特性極限值 如圖 所示 。 圖 H7805 引腳圖 表 芯片 H 7805 的電氣特性 極限值（ Ta=25℃） 參數(shù)名稱 符號 參數(shù)值 輸入電壓 (VO=518V) VI 35V 熱阻（結(jié)到殼） RQJC 5℃ /W 熱阻（結(jié)到空氣） RQJA 65℃ /W 工作結(jié)溫范圍 TOPR 0125℃ 貯存溫度范圍 TSTG 65150℃ 時鐘振蕩器 晶體振蕩器 ,以下簡稱晶振 ,是基于晶體的壓電效應原理制造而成的。當在晶片的兩面上加交變電壓時，晶片因反復的機械變形產(chǎn)生振動，而這種機械振 動又會反 過來產(chǎn)生交變電壓。當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其它頻率下的振幅大得多，并且產(chǎn)生共振，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振 .晶振發(fā)生振蕩必須附加外部時鐘電路 ,一般是一個放大反饋電路 ,只有一片晶振是不能實現(xiàn)震蕩的，于是就有了時鐘振蕩器。將外部時鐘電路跟晶振放在同一個封裝里面 ,一般都有 4 個引腳 ,兩條電源線為里面的時鐘電路提供電源 ,又叫做有源晶振 ,時鐘振蕩器 ,或簡稱鐘振 .好多鐘 振一般還要做一些溫度補償電路在里面 ,讓振蕩頻率能更準確。設計中使用 12MHz 的晶振，通過單片機內(nèi)部 6 分頻，發(fā)生 2MHz 的 ALE 信號，經(jīng)過超聲波發(fā)射電路，獲得探頭所需的 40kHz 的頻率。 XTAL1 和 XTAL2 分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出端。這個振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。本系統(tǒng)使用 12MHz 的石英晶振作為系統(tǒng)的時鐘源。晶體的連接方式如圖 所示。 電容 C1 和 C2 起去除噪聲的作用，且應保持兩個電容的值一樣。本系統(tǒng)電容值 C20=C25=20PF。 20pFC2020PFC2512XT112MGNDGNDXTALA1XTALA2 圖 晶體振蕩器的連接 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T構(gòu)成，單片機 端口輸出 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 RR9一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。 3 4U4BSN74LS04D1 2U4ASN74LS04D5 6U4CSN74LS04D89U4DSN74LS04D1011U4ESN74LS04DLS1TX(F)R81K1KR9VCCP10 圖 超聲波探頭 超聲波探頭是發(fā)射和接收超聲波的儀器。本系統(tǒng)超聲波發(fā)射探頭采 用 T4016，超聲波接收探頭采用 R4016，外形如圖 所示，參數(shù)如表 所示。 圖 表 超聲波探頭參數(shù) 中心頻率（ KHZ） 40177。 1 聲壓 ((dB)) ≥ 115 靈敏度 (dB)) ≥ 64 方向角（176。） 6066 分辨率 (mm) 99 檢測距離 (m)() 主要直徑尺寸 (mm) 外徑 高度 內(nèi)徑 采用收發(fā)分體式超聲波探頭，有以下優(yōu)點：發(fā)射角小，發(fā)射距離遠，而且余震對接收探頭的影響小，降低了調(diào)試 的復雜性，提高了系統(tǒng)安裝的靈活性，減小了盲區(qū)，同時提高了檢測距離。 74LS04 六反向器 這里采用 74LS04來提高驅(qū)動的功率，以使超聲波發(fā)射信號足夠大，提高測量距離。 74LS04內(nèi)有六個獨立的反向器，每個反向器都可執(zhí)行邏輯的反向操作，它還可構(gòu)成振蕩器，進行脈沖整形和小信號的電壓放大等。其中一個非門用來為驅(qū)動器的一側(cè)提供 180176。的相移信號，另一側(cè)由相內(nèi)信號驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)使驅(qū)動電壓提高一倍。為提高超聲波探頭的驅(qū)動電壓，采用兩個 74LS04并聯(lián)的形式。 74LS04是六反向器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 圖 74LS04 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 74LS04六反向器的主要電特性的典型值如表 。 表 74LS04主要電特性 輸出由低到高傳輸延遲時間 TLHP（ ns） 輸出由高到低傳輸延遲時間 TPHL（ ns） 電壓（ V） PD（ mW） 最小電壓 額定電壓 最大電壓 9 10 5 12 接收電路 由于超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳輸距離的增大而減小，從遠距離障 礙 物反 射的回波信號一般比較弱 (接收電壓為 mv級 )，所以在設計超聲波接收電路時，要有較大的放大倍數(shù) 。為減小環(huán)境噪聲對回波信號的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測。 超聲波接收電路使用了集成電路 CX20206A。 CX20206A是 日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預放用的雙極型集成電路， 紅外線檢波接收的專用芯片，常用于 電視機紅外遙控接收器 ?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz與測距的超聲波頻率 40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路 (如 圖 )。實驗證明用 CX20206A接收超聲波 (無信號時輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容 C4的大小， 可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力 CX20206A的 內(nèi)電路框圖及信號流向 如 (a)所示 ， 引腳 如 （ b） 所示 。 圖 CX2OIO6的內(nèi)電路框圖及信號流向 和引腳 CX2O106A是一塊 8腳單列直插式超小型塑封結(jié)構(gòu)的 IC，其各引腳功能及外接元件的作用見表 。