【文章內(nèi)容簡介】 波測距系統(tǒng)測量的范圍之內(nèi)可以通過按鍵設置）。 利用 STC89C52 微型單片機某個引腳產(chǎn)生 10181。s 以上的高電平脈沖信號，再指定 引腳輸出，等待高低電平指定輸出。只要有高低電平輸出，即在配合的 推挽形式中的 74LS04 數(shù) 字芯片 ，提高驅(qū)動發(fā)射超聲波信號。遇到物體反射回來的信號，接收模塊接收回波信號后，通過 CX2020A 接收芯片內(nèi)部處理，放大、濾波等后，接收到一個負跳變的信號，送到微型單片機中外部中斷口 0。在微型單片機內(nèi)部使用定時器，利用信號傳播速度走的來回就是發(fā)射脈沖信號到接收反射脈沖信號的時間間隔可以計算出發(fā)射頭到障礙物的距離，并由微型單片機控制液晶顯示屏顯示出來 [7]。 從下面的時序圖可以看出來，發(fā)射電路在 T0 時刻發(fā)射出 (12M 晶振，因此大約 40kHz)高低電平為周期的一半的信號，在同一時間內(nèi)也啟動微型單片 機的內(nèi)部定時器計時開始，當發(fā)射信號遇到物體，返回給超聲波測距接收模塊電路，該模塊收到回波信號后，會有一負跳變電平信號到單片機外部中斷口，論文設計選擇了外部中斷 0 接收，啟動內(nèi)部的程序響應中斷服務子程序，定時器瞬間停止計時計數(shù)。程序按照公式計算時間間隔絕對值 t，按照公式可以計算出 L實際距離大小 [8]。如圖 42 時序圖： 圖 42 時序圖 . . 5 方案論證與比較 本論文設計選的單片機采用 STC89C52 型號做主控部分，而超聲波發(fā)射和接收電路硬件的電路有多種，本論文舉例常用的電路設計，最后根據(jù)任務書要求 合理選擇合適本論文設計的硬件電路方案。 各種發(fā)射電路方案 方案一分立元件組成的電路 發(fā)射電路方案有很多種，以前的經(jīng)典模擬電路其中經(jīng)常使用兩只低功耗的三極管NPN(C9013 或者其他 NPN 型號三極管 )構成的電路具體放大，振蕩和驅(qū)動的分立元件小電路模塊，在電路里面其中三極管 Q Q2 加外圍電阻或者電感構造成兩級放大器。因為超聲波發(fā)射傳感器本身具有正、反饋作用，本來是兩級放大作用的 NPN 電路變成了可以產(chǎn)生振蕩的電路。超聲探頭的內(nèi)部里面的壓電晶片體看作成是串聯(lián)式 LC 諧振器電路，能夠選頻，振蕩電路 得到固有的振蕩頻率維持在 0f 。右圖中選擇了電感 L1取代電阻達到增大電壓作用，使電路具有較大的功率輸出 [8]。如圖 51 所示： 圖 51 分立元件構成的超聲波發(fā)射電路 . . 方案二 555集成電路組成的電路 還有常使用的經(jīng)典模擬或者數(shù)字 555 集成芯片構成的電路。它可以調(diào)節(jié)出不一樣的大小的振蕩電路，還具有激勵電壓輸出。一般都使用雙極型 555（內(nèi)部結構的電路就是集成一體的低功耗三極管電路），這個不適用 7555 單極型構成發(fā)射電路（因為 內(nèi)部電路是由數(shù)字集成電路構成，雖然外部引腳與與雙極型 555 相同），但主要是構成的發(fā)射電路發(fā)射強度不大。 7555 能帶起的負載能力比較弱。 555 的 3 腳可以調(diào)節(jié)得到大約輸出的 40kHz的振蕩脈沖驅(qū)動超聲波發(fā)射器 TCT4016mm工作，使其發(fā)射出 40kHz的超聲波信號。電路工作電壓一般為 +9V，工作電流為 40～ 45mA,控制發(fā)射距離大于8m[8]。 如圖 52 所示： 圖 52 555 構成的超聲波發(fā)射電路 . . 方案三與非門集成電路組成的電路 與微型單片機的引腳構成的發(fā)射電路一般常用主要由集成數(shù) 字芯片 74LS04（實質(zhì)是多個反相器集成）和超聲波傳感器組合的。微型單片機的 引腳端口經(jīng)過程序控制輸出 的方波信號（匯編程序指令編寫，誤差小，比較準確快速得到方波信號）經(jīng)過第一級的 5（ 11）腳到 6（ 10）腳的 74LS04 后送傳感器的一個引腳 2 端，另一路經(jīng)兩級（第一級 1 腳到 2 腳，第二級 9（ 3）腳到 8（ 4）腳）的 74LS04 后送到超聲波傳感器的另一個引腳 1 端，利用這樣反相電路的推挽方式將單片機發(fā)出的 信號加到傳感器的兩端，有利于增大了發(fā)射信號強度。電路里面采用 74LS04內(nèi)部兩個反 向器的并聯(lián)輸出，還有利于可以增大驅(qū)動。對稱的兩個電阻 R R6 作用一可以達到增大超聲波傳感器的阻尼效果，還可以縮短其模塊電路的自由振蕩花費的時間，另一方面可以使得增大 74LS04 輸出端的高電平的驅(qū)動效果 [8]。 如圖 53所示： 圖 53 由非門構成的超聲波發(fā)射電路 . . 各種接收電路方案 方案一分立元件組成的電路 同樣接收電路方案也有很多種，以前的經(jīng)典模擬電路其中經(jīng)常使用是低功耗的三極管 T1,T2（一般選擇 C9013 或者其他低功率的 NPN 三極管）搭配外圍一些電阻跟電容構成的兩級放大的 耦合電阻電容交流的分立元件接收回波電路。第一級中電阻 R6為 T1 的集電極負載端的串接電阻； R5 為 T 三極管的偏流端的電阻，偏流端的電阻作用是為了引入交、直流并聯(lián)電壓負反饋，靜態(tài)工作點得到穩(wěn)定工作，同時非線性失真能夠減少以及增大增益得到平穩(wěn)工作；一級放大 NPN 的 T1 發(fā)射極端的負反饋電阻是R2，負反饋電阻能引入串聯(lián)交、直電流負反饋，電流負反饋的作用能改善存在的失真情況，增大增益，但是分立元件組成的電路容易受到外部干擾，容易出故障 [8]。如圖54所示： 圖 54 分立元件構成的超聲波接收電路 . . 方 案二運算放大器組成的電路 接收電路方案還有一種，配合運算放大器的經(jīng)典模擬電路，其特點如以下三點： （ 1）一般用運算放大器組成的放大電路都要求有對稱的正負電源供電，這里的電路以單電源供電，輸出端的靜態(tài)電位必須設置在 1/2 倍的電源電壓，這由同相輸入端的點位來確定， 2R 和 3R 分壓取得 1/2V 的電源電壓加到運放的同相輸入端，使其電位電壓為 1/2 電源。 （ 2）一般為了提高輸入端的電阻阻抗，都采用同相輸入端，信號直接送到同相端輸入，能提高信號接收的靈敏度，還可以有選頻的作用。 （ 3）反相端是不能直接接地的，不能這樣提供直流通路，加上一個隔直電容就能直接提供直流通路了。測試發(fā)現(xiàn)得到的回波信號不穩(wěn)定，而且運算放大器的電源都是比較大的。因此不合適結合微型單片機組合使用 [9]。如圖 55 所示： 圖 55 運放構成的超聲波接收電路 . . 方案三 CX20206A 芯片組成的電路 近年一直都流行使用紅外接收，里面集成了放大，濾波等集成電路。紅外接收靈敏穩(wěn)定工作能 高強度的抗干擾，其 CX20206A 集成芯片一直是是紅外接收器主要組成芯片，改進芯片的外圍電路使其合適用于超聲波的接收電路，實物制作選擇使用了CX20206A 做主要組成。封裝使用單列直插 8個管腳，簡單，體積不大，使用電源供電都是 5V左右等特點。第八個引腳是 VCC 端，根據(jù)它使用手冊可以使用 ；第七個引腳是回波的信號輸出端引用端，可以采用集電極開路方式輸出，因此要接上一個上拉電阻 R9也連接到電源端，工作的原理是沒有回波信號時，這個引腳輸出為高電平信號，如果檢測到有信號，電平就會降低；第六個引腳是跟地 端連接，由于不能直接接地因此使用一個積分電容隔離，要測量距離越大，電容值就要越小；第五個引腳一般要連接一個 200k 的電阻，因為是設置內(nèi)部濾波帶通的中心接收頻率，這樣使得接收的中心頻率維持在 40kHz；第三個引腳是檢波脈沖端，實驗數(shù)據(jù)表明脈沖輸出變化較大的，連接一個 電容，實質(zhì)就是檢波電容；第二個引腳是放大電路模塊的，它的總增益與外圍電路的 C W1微調(diào)電阻有關，減小微調(diào)電阻 W1阻值或增大電容 C7容值，都會讓總增益變大，負反饋回來的信號變小，電容的變化會影響頻率特性，凋試都是改變微調(diào)電阻的阻值；第一個 引腳就是超聲波的回波信號輸入處理端，按照使用的經(jīng)驗值都是選擇 40k 阻值 [10]。如圖 56所示： 圖 56 CX20206 構成的接收電路 . . 以上各種的發(fā)射和接收的硬件設計電路是最常使用的，隨著技術不斷發(fā)展，它們各有長處短處可取，電路技術首要因素是穩(wěn)定。通常使用分立元件構成的發(fā)射和接收的電路存在幾個問題：凋試困難，體積占用大，外部干擾下故障率也高，對應低功率的要求也達不到，如果作為原理的理解是值得學習的電路模塊； 隨著技術更新，集成電路出現(xiàn)，取代了很多分立元件構成的電路。它比分立元件構成電路有許多有點，它集成一片晶體：占用電路板的體積小，內(nèi)部的電阻電容不受外界干擾，電路比較穩(wěn)定可以長期工作，外加一些外圍元件可以變化多種電路，調(diào)試簡單等特點；但集成電路供電都比較大，要另外設計電源。因此在選擇合適自己系統(tǒng)的集成電路時候，要根據(jù)電壓范圍選擇，可以減少避免麻煩的電路模塊，最好一個電源范圍就可以供完電路。 以上的電路方案首先考慮采用集成芯片外加電阻電容組合的電路來組成超聲波的發(fā)射很接收電路。綜合選擇發(fā)射電路，本論文設計選擇了數(shù) 字芯片的與非門的74LS04 構成的驅(qū)動發(fā)射電路；而接收電路我采用由紅外接收檢波芯片 CX20206A 構成的，因為考慮供電電壓范圍 ++5V，可以跟單片機的可以使用同一個電源。經(jīng)過凋試，電路還是比較穩(wěn)定的發(fā)射跟接收信號的。 . . 單片機主控系統(tǒng)電路 單片機的在領域上的廣泛應用 ? 工業(yè)自動化：數(shù)據(jù)采集、測控技術、超聲波測距。 ? 智能儀器儀表：數(shù)字示波器、數(shù)字信號源、數(shù)字萬用表、感應電流表等。 ? 消費類電子產(chǎn)品：洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、電視機、微波爐、手機、 IC 卡、汽車電子 設備等。 ? 通訊方面：調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術、手機、小靈通等。 ? 武器裝備：飛機、軍艦、坦克、導彈、航天飛機、魚雷制導、智能武器等。 等等… [10] . . 單片機的內(nèi)部原理 在集成電路芯片上具有微處理器（ CPU）、存儲器（ RAM 和 ROM）、輸入輸出接口（ I/O接口）電路，組合構成了單芯片微型計算機，習慣稱單片機。 集合 CPU 芯片、存儲芯片、在輸入輸出接口和簡單的 I/O 設備（小鍵盤、 LED 顯示器或者液晶顯示器）等裝配在一塊印刷電路板上，再配上監(jiān)控程序（固化在 ROM 中 ），就構成了一臺單板微型計算機（通常叫單板機） [10]。 微處理器（ CPU）：是由運算和控制邏輯構成，里面還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器； 存儲器 RAM：是用來儲存可讀可寫的數(shù)據(jù)，例如程序在運算的中間結果暫時保存、或者程序在運算的最終結果以及需要最終顯示的數(shù)據(jù)； 存儲器 ROM：是用來存放內(nèi)部的程序、少許原始數(shù)據(jù)與表格； 輸入輸出接口 I/O 端口：四個（ ， ， ， ）8位并行 I/O 口，既能作輸入 IN，也可以作輸出 OUT，雙向性能； 定時器 /計數(shù)器：它內(nèi)部具有兩個定時 /計數(shù)器，既可以工作在定時模式，給程序定時，也可以工作在計數(shù)模式，運行計數(shù)模式。兩者也可以配合使用； 五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)，本論文設計使用到是外部中斷輸入，判斷高低電平； 單片機里面由振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，因此石英晶振和微調(diào)無極電容需要外接。它具有的最高振蕩頻率于單片機型號及性能決定 [10]。 本論文設計選用的單片機是 STC89C52芯片，它是一種功耗消耗低、 8位 CMOS微控制器，性能較高，內(nèi)存大小 8K 存儲器可以編寫程序。 STC89C52單片機是基于經(jīng)典的 MCS51單片 機的內(nèi)核，但是做很多升級使得芯片具有傳統(tǒng) 51單片機不具備的功能。 尤其對于本論文設計要使用到的 P3端口 IO引腳第二功能定義： ：接收 RXD 串行口輸入； ：發(fā)射 TXD 串行口輸出； ： INT0外部中斷 0輸入； ： INT1外部中斷 1輸入； ： T0定時器 0外部輸入，可以定時可以計數(shù)； ： T