【文章內(nèi)容簡介】 ，由于單片機(jī)芯片內(nèi)部計(jì)數(shù)器本身的條件限制，也無法實(shí)現(xiàn)更高精度的測距要求。由于受到計(jì)數(shù)誤差的影響，現(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)的測量范圍基本上在幾十厘米到二十米之間，誤差精度在毫米級。所以如果想提高超聲波的測距精度就必須選擇高精度的時間測量方法。 顯示器件選擇對于顯示器件的選擇有如下考慮：現(xiàn)有的測距系統(tǒng)使用的顯示器件中，使用最為廣泛的是LCD和LED。LCD即液晶顯示器，具有可顯示內(nèi)容豐富，控制靈活、功耗低、體積小巧、重量輕等特點(diǎn)，在智能化儀器中得到越來越多的應(yīng)用，其缺點(diǎn)是亮度不高，在距離較遠(yuǎn)的時候顯示效果不夠清晰，而且控制復(fù)雜，價格比較貴，對工作環(huán)境的溫度要求也比較高；發(fā)光二極管顯示器，建成LED，雖然具有顯示內(nèi)容不豐富、無法顯示漢字等缺點(diǎn)，但是同時也具有亮度高、顯示清晰及相應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，更為重要的是可靠性高、使用壽命長、在高溫和低溫下都能穩(wěn)定工作，而且價格低廉。LED顯示器與LCD顯示器相比，LED在亮度、功耗、可視角度和刷新速率等方面，都更具優(yōu)勢。LED與LCD的功耗比大約為10：1，而且更高的刷新速率使得LED在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，能提供寬達(dá)160度的視角，有機(jī)LED顯示屏的單個元素反應(yīng)速度是LCD液晶屏的1000倍，在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40度的低溫。經(jīng)過比較考慮，本設(shè)計(jì)選擇了LED顯示器。采用三個共陰極LED數(shù)碼管來顯示測距距離。LED顯示器分共陰極和共陽極兩種。共陰極LED的所有發(fā)光二極管的陰極共地，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；共陰極LED顯示器其所有發(fā)光二極管的陽極并接，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陰極為高電平時，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。八段LED顯示器既可以顯示數(shù)字，也可以顯示簡單的字母及符號。第三章 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的的超聲波測距系統(tǒng)由于是利用數(shù)模電知識，所以完全依靠邏輯電路進(jìn)行信號的檢測與計(jì)算。所以，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確度很大程度上依賴硬件。因此在能保證實(shí)現(xiàn)超聲波測距所需要的功能的同時硬件的選擇應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下幾個條件：（1） 盡量選擇普遍使用的芯片，在系統(tǒng)調(diào)試過程中難免會發(fā)生一些意外。若使用的是非主流，比較冷門的芯片會對系統(tǒng)的調(diào)試工作帶來困難，同時典型芯片也為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下了基礎(chǔ)。（2） 盡量減少硬件電路的復(fù)雜性，能在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的功能，最好不外接電路。（3） 在電路焊接過程中盡量考慮系統(tǒng)的可靠性以及抗干擾性能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括模擬和數(shù)字兩部分：模擬部分包括超聲發(fā)射電路、驅(qū)動電路、接收電路、放大電路、比較電路；數(shù)字部分包括計(jì)數(shù)顯示電路。硬件設(shè)計(jì)從成本和性能兩方面進(jìn)行考慮，力求結(jié)構(gòu)簡單，成本合理，功能完善，穩(wěn)定性好。系統(tǒng)方案框圖如圖31所示。圖31 超聲波測距系統(tǒng)方案框圖 超聲波發(fā)射模塊根據(jù)超聲換能器產(chǎn)生超聲波的原理，超聲波換能器想要產(chǎn)生超聲波需要在換能器兩端加電平信號，當(dāng)信號頻率跟超聲波換能器的固有頻率相等時，超聲波換能器的輸出功率最大，靈敏度最高。因此發(fā)發(fā)射模塊的關(guān)鍵就是如何產(chǎn)生與超聲波換能器，也就是本設(shè)計(jì)選取的T/R4016超聲波換能器固有頻率相等的電平信號。產(chǎn)生電平信號質(zhì)量的好壞跟振蕩電路的選擇有很大的關(guān)系，一般振蕩電路是由電阻、電感、電容等元件和電子器件組成。振蕩電路按頻率的高低可以分為超低頻（20Hz以下）、低頻（20Hz～200KHz）、高頻（200KHz～30MHz）和超高頻（10MHz～350MHz）等幾種。由于T/R4016的固有頻率為40KHz，所以超聲波驅(qū)動電路的頻率應(yīng)盡量接近40KHz。但電路產(chǎn)生的脈沖信號會受到周圍環(huán)境溫度和自身放熱導(dǎo)致的溫度變化的影響，所以設(shè)計(jì)中采用了可調(diào)脈沖頻率的方式來抵消這種影響，使驅(qū)動電路的頻率盡量接近超聲波換能器的固有頻率。超聲波換能器驅(qū)動脈沖電路由兩塊555集成電路組成。組成超聲波脈沖信號發(fā)生器。如圖32所示。圖32 超聲波發(fā)射模塊其中IC1輸出信號控制IC2與其共同組成超聲波載波信號發(fā)生器，輸出1ms頻率40kHz，占空比50％的脈沖，停止64ms。IC1的具體工作電路如圖33所示。圖33 IC1工作電路IC1輸出信號的計(jì)算公式如下：條件: R1=、 R2=150KΩ、 C1= IC1輸出信號經(jīng)過IC3非門后輸入IC2如圖34所示。圖34 IC2工作電路IC2輸出信號計(jì)算公式如下：條件: R3 =、 R4=15KΩ、 C3=1000pFIC3組成超聲波換能器驅(qū)動電路，其工作電路如圖35所示。驅(qū)動電路主要由五個非門組成，由于直接輸出的電壓信號時，電流很小，會導(dǎo)致功率不夠無法正常驅(qū)動超聲波傳感器，為了使超聲波傳感器的輸出功率達(dá)到最大，增加輸出功率，使傳感器的靈敏度達(dá)到最高。分別使用兩個非門在正向及反相端并聯(lián)，增大驅(qū)動電流。圖35 超聲波換能器驅(qū)動電路發(fā)射模塊中主要使用了554069兩塊芯片和超聲波換能器T4016。555作為使用最為普遍的定時振蕩器，自從其于1971年由Signetics Corporation發(fā)布后，在以后30年來被大量使用，并且延伸出相當(dāng)多的應(yīng)用電路在本次設(shè)計(jì)中我沒有使用比較先進(jìn)的基于CMOS技術(shù)的Timer IC如MOTORLA的MC1455，而是使用了原規(guī)格的NE555。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖36所示。圖36 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖NE555振蕩計(jì)時器具有以下功能特性：（1） 供應(yīng)電壓 ～18V（2） 供應(yīng)電流 3～6mA（3） 輸出電流 225mA（最大值）（4） 上升/下降時間 100nsNE555振蕩計(jì)時器有兩種工作模式：（1） 單觸發(fā)（單穩(wěn)）（2） 振蕩器（非穩(wěn)）單穩(wěn)模式其外部電路連接如圖37所示。圖37 單穩(wěn)模式下外部電路連接圖也就是說將定時器的6號腳和7號腳接在一起，并添加一個電容C和一個電阻R，就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。穩(wěn)態(tài)時，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平。暫穩(wěn)態(tài)時，觸發(fā)器輸出高電平。5號腳懸空時輸出脈沖寬度為。5號腳接控制電壓時，輸出脈沖寬度為[2022]。振蕩器模式下其外部連接電路如圖38所示。圖38 振蕩模式下外部電路連接圖在振蕩器工作模式下電阻和電容構(gòu)成一個RC積分電路，其輸入端接施密特觸發(fā)器的輸出端，其輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器就是這個思路。于是我們先用555定時器構(gòu)成一個施密特觸發(fā)器，再把這個施密特觸發(fā)器改接成多諧振蕩器。設(shè)計(jì)中使用的施密特觸發(fā)器稍微復(fù)雜了一些，粗了2號腳和6號腳連接在一起構(gòu)成施密特觸發(fā)器外，又增加了一個電阻。與555定時器內(nèi)部的放電管構(gòu)成了一個反相器。邏輯上這個反相器的輸出與555定時器的輸出完全相同。因此，這個觸發(fā)器有了兩個輸出端，分別為555的3號腳和號腳。電阻和電容C構(gòu)成了RC積分電路，施密特觸發(fā)器的一個輸出端（7號腳）接RC積分電路的輸入端，RC積分電路的輸出端接施密特觸發(fā)器的輸入端。這樣就形成了多諧振蕩。CD4069由六個COS/MOS反相器電路組成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驅(qū)動和邏輯電平轉(zhuǎn)換的電路中。CC4069 提供了14引線多層陶瓷雙列直插（D）、熔封陶瓷雙列直插（J） 、塑料雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4 種封裝形式。推薦工作條件： 電源電壓范圍： 3V～15V 輸入電壓范圍： 0V～VDD 工作溫度范圍： M 類： －55℃～125℃ E 類： －40℃～85℃ 電源電壓：?。?8V 輸入電壓：?。玍DD+ 輸入電流：　177。10mA 儲存溫度：?。?5℃～150℃其工作原理如圖39所示。圖39 CD4069工作原理圖 通電后，時基振蕩器震蕩經(jīng)過分頻后向外輸出時基信號。 作為分頻器的 IC2 開始計(jì)數(shù)分頻。當(dāng)計(jì)數(shù)到10時，Q4輸出高電平，該高電平經(jīng)D1反相變?yōu)榈碗娖绞筕T截止，繼電器斷電釋放，切斷被控電路工作電源。與此同時， D1輸出低電平經(jīng)D2反相為高電平后加至IC2的CP端，使輸出端輸出的高電平保持。電路通電使ICIC2復(fù)位后，IC2的四個輸出端，均為低電平。而Q4輸出的低電平經(jīng)D1反相變?yōu)楦唠娖?，通過R4使VT導(dǎo)通，繼電器通電吸和。這種工作狀態(tài)為開機(jī)接通、定時斷開狀態(tài)。 超聲波接收電路超聲波接收頭和NJM4580D芯片組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經(jīng)4580的2級放大1000倍（60dB），第1級放大100倍（40dB），第2級放大10倍（20dB）。由于一般的運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9V）供電，為保證其可靠工作，這里用R10和R11進(jìn)行分壓，這樣可以保證放大的交流信號的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。其電路連接如圖310所示。圖310 反射信號放大電路連接圖為了降低測距系統(tǒng)的誤差這里使用NJM4580D作為放大器,NJM458D是一個雙運(yùn)算放大芯片，相較于普通的放大器，NJM4580D抗干擾能力更強(qiáng)，更高的增益帶寬，高輸出電流