【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 傳播功率與頻率成正比，比較和分析幾種常用的超聲波頻率 的特點(diǎn)，最終選取頻率為 。超聲波發(fā)射電路主要由反相器 74LS04和超聲波發(fā)射器 T 構(gòu)成， 74LS04 用于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，使輸出方波更加標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī) 端口輸出的 的間斷方波信號(hào)，此時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，該方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波發(fā)射器的一個(gè)電極，另 一路經(jīng)兩級(jí)反相器后送到超聲波發(fā)射器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波發(fā)射器的兩級(jí)，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻 3R 、 4R 可以提高反相器輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，還可以增加超聲波發(fā)射器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 5 所示。超聲波發(fā)射 超聲波接收 單 片 機(jī) 控 制 器 4 位數(shù)碼管顯示 主控芯片STC89C52 發(fā)射調(diào)制電路 超聲波發(fā)射探頭 第 7 頁 共 33 頁 圖 5 超聲波發(fā)射電路 接收框圖 和電路圖 圖 6 為系統(tǒng)接收框圖。 超聲波接收探頭接收反射回來的聲波信號(hào)，經(jīng)放大后把信號(hào)引進(jìn)一個(gè)帶通濾波器，然后把信號(hào)再次放大后引入比較電路，最后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。 圖 6 系統(tǒng)接收框圖 超聲波接收電路采用 CX20206A 集成電路，對(duì)超聲波接收器收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，有較強(qiáng)的抗干擾性和靈敏度。超聲波接收器將收到的返回超聲波轉(zhuǎn)成微弱電信號(hào)，經(jīng) CX20206A 放大、整形后再輸出。通過外接電阻，將 CX20206A 內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率 0f 設(shè)置為40KHz ，就可接收和放大超聲波電信號(hào)，并整形和輸出。采用 CX20206A 實(shí)現(xiàn)超聲波放大和整形，可避免采用多級(jí)集成運(yùn)放組成高增益放大電路易產(chǎn)生自激等問題。超聲波接收電路原理圖如圖 7 所示。 超聲波接收探頭 放大 電路 濾波 電路 放大 電路 比較 電路 主控芯片 STC89C52 第 8 頁 共 33 頁 圖 7 超聲波接收電路 顯示框圖和電路圖 圖 8 為系統(tǒng)顯示框圖。 單片機(jī)對(duì)經(jīng)處理過的反射信號(hào)進(jìn)行最終的數(shù)學(xué)處理，把最終結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。 圖 8 系統(tǒng)顯示框圖 顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備 ，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使用 LED 發(fā)光二極管，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 CRT 監(jiān)視器或者屏幕較大的 LCD 液晶屏。綜合設(shè)計(jì)的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用4 位 LED 數(shù)碼管顯示。其顯示電路如圖 9 所示 。 經(jīng)處理的反射信號(hào) 主控芯片STC89C52 數(shù)碼管 顯示 第 9 頁 共 33 頁 圖 9 系統(tǒng)顯示電路 單片機(jī)復(fù)位電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作中，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，為需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必 須準(zhǔn)確、可靠地工作。 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST 引腳上出現(xiàn) 24 個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠的復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使 RST 保持高電平，只要 RST 保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。 單片機(jī)復(fù)位電路通常采用以下幾種方式： ⑴ 上電自動(dòng)復(fù)位，上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的點(diǎn)容充電來實(shí)現(xiàn)的，在電容充電的過程 中， RST 端出現(xiàn)正脈 沖，從而使單片機(jī)復(fù)位。 ⑵ 系統(tǒng)復(fù)位，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作 ，常將 RC 電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。適用于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)干擾大、電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)復(fù)位端時(shí)，能保證可靠的同步復(fù)位。 第 10 頁 共 33 頁 ⑶ 按鍵電平復(fù)位，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與 VCC 電源接通而實(shí)現(xiàn)的。 考慮本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，干擾小，故采用按鍵電平復(fù)位。電 路圖如圖 10 所示。 圖 10 按鍵電平復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器構(gòu)成。XTAL1 是接外部晶體管的一個(gè)引腳，在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳 XTAL2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的電容一般取 30pf 左右，而晶體振蕩器的頻率范圍通常是 到 12MHz ，電路中采用 12MHz ，晶體振蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。其電路如圖 11 所示。 圖 11 時(shí)鐘電路 超聲波測(cè)距電路 電路中用 口輸出超聲波傳感器所需的 方波信號(hào)，利用外中端口檢測(cè)超聲波接收電路的返回信號(hào)，顯示電路采用簡(jiǎn)單的 4 位 LED 數(shù)碼管。采用 STC89C52 來實(shí)現(xiàn)對(duì) CX20206A 紅外接收芯片和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過 引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送。然后利用單片機(jī)的 INTO，當(dāng)INTO 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所記的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距 第 11 頁 共 33 頁 離。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波 自發(fā)射到接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。其電路圖如圖 12 所示。 圖 12 超聲波測(cè)距電路圖 3 芯片的介紹 系統(tǒng)主控芯片的介紹 選擇 STC89C52 單片機(jī) 作為該系統(tǒng)的主控芯片。 STC89C52 片內(nèi)含有 8K 的可反復(fù)擦寫的只讀 Flash 程序存儲(chǔ)器 和 512 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）。 40 個(gè)引腳， 32 個(gè)雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)含有 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器， 2 個(gè)串行中斷， 2 個(gè)外部中斷源和 2 個(gè)讀寫中斷口線。 性能卓越 ，保密性好 ，因?yàn)?采用串口燒寫所以燒寫更方便更安全 ， 不用擔(dān)心會(huì)燒壞芯片 ， STC 單片機(jī) 可重復(fù)燒寫 10 萬次 ,是普通 51 單片機(jī)的 100 倍 。 STC89C52完全兼容 AT89C5 AT89C52 、 AT89S5 AT89S52 ,擴(kuò)展性比 AT89S52 強(qiáng)很多 。 STC89C52 的管腳圖如圖 13： 第 12 頁 共 33 頁 圖 13 STC89C52 管腳 I/O端口的編程實(shí)際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對(duì) I/O寄存器進(jìn)行編程。具體步驟如下： ⑴ 根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義其相應(yīng)的寄存器； ⑵ 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； ⑶ 根據(jù)外圍電路功 能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對(duì)于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因?yàn)?I/O 的復(fù)位缺省值為輸入； ⑷ 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻 ； ⑸ 最后對(duì) I/O 端口進(jìn)行輸出（寫數(shù)據(jù)輸出寄存器）和輸入（讀端口）編程，完成對(duì)外圍電路的相應(yīng)功能。 CX20206A CX20206A 紅外接收專用集成電路 IC 性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號(hào)接收器 IC 相同或相似，可用來代替多種信號(hào)的遙控集成電路。 CX20206A采用 8 腳單列直插式塑料封裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 14. 第 13 頁 共 33 頁 圖 14 CX20206A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 CX20206A 的 ① 腳接收外部的電信號(hào)， CX20206A 的總放大增 益約為 80dB，以確保其 ⑦ 腳輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅度在 伏到 5 伏范圍內(nèi)。總增益大小由 ② 腳外接的電阻 1R 和電容 1C 決定，電阻越小或電容越大，增益越高。電容取值過大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，通常取 1uf .③ 腳需要連接一個(gè)檢波電容 2C ，一般取 .CX20206A 采用峰值檢波方式，當(dāng) 2C 容量較大時(shí)將變成平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度會(huì)變低， 2C 較小時(shí)雖然仍為峰值檢波，且瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度很高，但檢波輸出脈沖寬度會(huì)發(fā)生較大變動(dòng)，容易造成解調(diào)出錯(cuò)而產(chǎn)生誤操作。帶通濾波器中心頻率 0f 需接一個(gè)外部電阻 2R ,改變 2R 阻值，可改變載波信號(hào)的接受頻率，當(dāng) 0f 偏離載波頻率時(shí)，放大增益會(huì)顯著下降。 ⑥ 腳外接積分電容 3C ，一般取 330pf ，取值過大，雖然可使抗干擾能力增強(qiáng)，但也會(huì)使輸出編碼脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，造成遙控距離變短。 ⑦ 腳為輸出端， CX20206A 處理后的脈沖信號(hào)由 ⑦ 腳輸出給后續(xù)電路再加工處理推動(dòng)負(fù)載工作。 CX20206A 各管腳的功能： ① 腳為紅外信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40 ?K ② 腳為增益調(diào)節(jié)端，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。增大電阻或減小電容，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。但電容的改變會(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)為電阻為 ? ，電容為 1uf . ③ 腳為檢波端，該腳與地之間連接檢波電容，電容量大的時(shí)候?yàn)槠骄禉z波，瞬間響應(yīng)靈敏度地，當(dāng)容量小時(shí)，則是峰值檢波，瞬間響應(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 腳為接地端。 ⑤ 腳為帶通濾波器調(diào)整端，該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 0f ，阻值越大，中心頻率越低。 第 14 頁 共 33 頁 ⑥ 腳為積分端，該腳與地之間接一個(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 為信號(hào)輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦值為 22 ?K ，沒有接受信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生低電平。 ⑧ 為電源端 [3]。 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距），所以控制程序可采用 C 語言和匯編 語言混合編程。 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要 是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能： （ 1） 信號(hào)控制 在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、顯示電路等的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、遠(yuǎn)近控制信號(hào)的時(shí)序及輸出。 （ 2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ) 在 RAM 中， 而且每次發(fā)射周期的開始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。 （ 3） 信號(hào)處理 RAM 中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距 離值之間顯示和輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間要通過公式轉(zhuǎn)換， )*( NTvvtH r?? ，其中 t 為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間， rT 為方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率， N 為計(jì)數(shù)器的值。在這部分中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值的換算，二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。 （ 4） 數(shù)據(jù)傳輸與顯示 經(jīng)軟件處理得到的距離送到 LED 數(shù)碼管顯示。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成 的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。整個(gè)系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。 算法設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 33 頁 超 聲波測(cè)距的原理是超聲波發(fā)生器 T 在某時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波信號(hào)遇到障礙物后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與障礙物之間的距離。距離的計(jì)算公式為： vtsH ?? (6) 其中， H 為障礙物與測(cè)距儀的距離， s 為超聲波往返的路程， v 為超聲波的速度， t 為超聲波往返所用的時(shí)間。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)間和接收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路 輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。 主程序 主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。主程序首先要對(duì)系