【文章內容簡介】 信號鎖定，產生鎖定信號啟動單片機中斷程序，得出時間t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結果被送至LED顯示。 超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠限用往返時間檢測法測量距離時，障礙物與超聲波傳感器間的距離既不能太遠也不能太近，存在著距離測量的近限和遠限[5]。距離過遠時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠限存在的原因。在距離過近時，接收信號將落進盲區(qū)中而無法分辨出來，這是近限所以存在的原因。在使用一個探頭同時充當發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長的時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動，不能進行正確的測量，同時，探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的液面反射信號也達不到限幅電路的限幅電平。當液面離探頭越來越遠時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值相應的越來越小。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。這就構成了遠限的問題。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13間規(guī)定為盲區(qū)時間。當開始計時，測量超聲波在空氣中的傳播時間才有效。但是，當探測距離很遠時，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，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、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，通常采用對溫度進行修正的方法，可以測得比較準確的距離。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。14(2)采用自動距離增益控制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)硬件設計 電路工作原理及設計主要由單片機系統(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。利用單片機來實現對超聲波和超聲波轉換模塊的控制。單片機通過INT0引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT1引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經返回。計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。結構框圖如圖3—1所示。 超聲波測距系統(tǒng)結構框圖 主要電路具體設計及主要器件介紹電路采用L7805CV作為電源電路將+12V電壓轉換為+5V電壓，控制器選用STC12C2052單片機,單片機INT0口輸出超聲波換能器所需的40KHz方波信號,由 CX20226A紅外接收芯片和TCT4010 系列超聲波換能器來實現超聲波信號的接受和發(fā)射控制，經計算，距離由顯示電路顯示，采用簡單的3位共陽極LED數碼管進行動態(tài)顯示。16 電源電路 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電壓轉換+5V電壓。L7805CV的外形如圖3—3所示。 L7805CV的外形圖這是一個三端集成穩(wěn)壓電源應用電路，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17值為100uF。同時在輸出端上接入電容C0，其值為100uF,以改善負載的瞬態(tài)響應。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，以保護集成穩(wěn)壓器內部調整管。我國電源提供的交流電一般為220V，而各種電子設備所需要的直流電壓的幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網電壓先經過電源變壓器，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。 直流電源組成其中整流電路的作用是利用具有單向導電性能的整流元件，將正負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。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，但當電網電壓或負載電流發(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電壓或負載電流發(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上按實際需要和實際情況設計的。18 微處理器電路微處理器電路原理圖如圖3—5所示。 微處理器電路原理圖微處理器的時鐘可以由兩種方式產生，一種是內部方式，利用芯片內部的振蕩電路；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成自激振蕩器。外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容CC2接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對外接電容CC2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小19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度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，建議電容使用30pF177。10pF，而如果使用陶瓷諧振器建議選擇40pF177。10pF連接方式。本設計采用內部方式。微處理器命名STC12系列單片機是美國STC公司在8051單片機標準的內核結構基礎上對芯片內核進行了較大改進后推出的一個增一強型功能的8051的單片機，具有很多很強的新功能。STC12系列是從引腳到內核及指令上都完全兼容8051的單片機。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:V～，～。20代表2K字節(jié)；52代表RAM是256字節(jié)； AD表示有A/D轉換功能。STC12C2052單片機引腳如圖3—6所示。 STC12C2052單片機引腳STC12C2052為20引腳小型封裝，2K內部程序存儲器，15個可編程I/O線，沒有P0口和P2口的16根I/O線，內部集成了一個模擬比較器。芯片引腳的排列順序20為從靠芯片的缺口（見上圖）左邊那列引腳逆時針數起，依次為…、20，在單片機的20個引腳中，電源引腳2根，外接晶體振蕩器引腳2根，復位引腳1根以及PP3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)：片內振蕩電路的輸入端 2. XTAL2(Pin4)：片內振蕩電路的輸出端控制引腳（1根） RST：復位引腳可編程輸入/輸出引腳（15根） 1. P1口： 8位準雙向I/O口線，～，共8根 2. P3口： 8位準雙向I/O口線，～、共7根芯片特點：（1）增強型1T流水線/精簡指令集結構8051 CPU；（2）工作電壓：～～；（3）工作頻率范圍：035MHz，相當于普通8051的0～420MHz；（4）用戶應用程序空間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，復位后為：準雙向口/弱上拉可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏；（7）EEPROM功能；（8）共2個16位定時器/計數器；（9）PWM(2路）/PCA（可編程計數器陣列）；（10）ADC,8路8位精度；（11）通用異步串行口(UART)；（12） 21SPI同步通信口，主模式/從模式；（13）看門狗；（14）內部集成R/C振蕩器，精度要求不高時可省外部晶體；（15）ISP/IAP；（16）工作溫度范圍：0～75℃/40～85℃；（17）封裝：PDIP20，SOP20(寬體)