【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)距要求。由于受到計(jì)數(shù)誤差的影響，現(xiàn)有超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)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(jí)。所以如果想提高超聲波的測(cè)距精度就必須選擇高精度的時(shí)間測(cè)量方法。 顯示器件選擇對(duì)于顯示器件的選擇有如下考慮：現(xiàn)有的測(cè)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(lái)越多的應(yīng)用，其缺點(diǎn)是亮度不高，在距離較遠(yuǎn)的時(shí)候顯示效果不夠清晰，而且控制復(fù)雜，價(jià)格比較貴，對(duì)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(wú)法顯示漢字等缺點(diǎn)，但是同時(shí)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(zhǎng)、在高溫和低溫下都能穩(wěn)定工作，而且價(jià)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(shì)。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(gè)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(guò)比較考慮，本設(shè)計(jì)選擇了LED顯示器。采用三個(gè)共陰極LED數(shù)碼管來(lái)顯示測(cè)距距離。LED顯示器分共陰極和共陽(yáng)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(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，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(yáng)極并接，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為高電平時(shí)，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(jiǎn)單的字母及符號(hào)。第三章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的的超聲波測(cè)距系統(tǒng)由于是利用數(shù)模電知識(shí)，所以完全依靠邏輯電路進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)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(cè)距所需要的功能的同時(shí)硬件的選擇應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)條件：（1） 盡量選擇普遍使用的芯片，在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生一些意外。若使用的是非主流，比較冷門(mén)的芯片會(huì)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試工作帶來(lái)困難，同時(shí)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(guò)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(dòng)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(jiǎn)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(cè)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(hào)，當(dāng)信號(hào)頻率跟超聲波換能器的固有頻率相等時(shí)，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(hào)。產(chǎn)生電平信號(hào)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(dòng)電路的頻率應(yīng)盡量接近40KHz。但電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)會(huì)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(lái)抵消這種影響，使驅(qū)動(dòng)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(dòng)脈沖電路由兩塊555集成電路組成。組成超聲波脈沖信號(hào)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(hào)控制IC2與其共同組成超聲波載波信號(hào)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(hào)的計(jì)算公式如下：條件: R1=、 R2=150KΩ、 C1= IC1輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)IC3非門(mén)后輸入IC2如圖34所示。圖34 IC2工作電路IC2輸出信號(hào)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(dòng)電路，其工作電路如圖35所示。驅(qū)動(dòng)電路主要由五個(gè)非門(mén)組成，由于直接輸出的電壓信號(hào)時(shí)，電流很小，會(huì)導(dǎo)致功率不夠無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)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(gè)非門(mén)在正向及反相端并聯(lián)，增大驅(qū)動(dòng)電流。圖35 超聲波換能器驅(qū)動(dòng)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(shí)振蕩器，自從其于1971年由Signetics Corporation發(fā)布后，在以后30年來(lái)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(méi)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(shí)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(shí)間 100nsNE555振蕩計(jì)時(shí)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(shuō)將定時(shí)器的6號(hào)腳和7號(hào)腳接在一起，并添加一個(gè)電容C和一個(gè)電阻R，就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。穩(wěn)態(tài)時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出低電平。暫穩(wěn)態(tài)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電平。5號(hào)腳懸空時(shí)輸出脈沖寬度為。5號(hào)腳接控制電壓時(shí)，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(gè)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(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器就是這個(gè)思路。于是我們先用555定時(shí)器構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器，再把這個(gè)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(hào)腳和6號(hào)腳連接在一起構(gòu)成施密特觸發(fā)器外，又增加了一個(gè)電阻。與555定時(shí)器內(nèi)部的放電管構(gòu)成了一個(gè)反相器。邏輯上這個(gè)反相器的輸出與555定時(shí)器的輸出完全相同。因此，這個(gè)觸發(fā)器有了兩個(gè)輸出端，分別為555的3號(hào)腳和號(hào)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(gè)輸出端（7號(hào)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(gè)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(dòng)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：　－～18V 輸入電壓：?。玍DD+ 輸入電流：　177。10mA 儲(chǔ)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(shí)基振蕩器震蕩經(jīng)過(guò)分頻后向外輸出時(shí)基信號(hào)。 作為分頻器的 IC2 開(kāi)始計(jì)數(shù)分頻。當(dāng)計(jì)數(shù)到10時(shí)，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(shí)， 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(gè)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(guò)R4使VT導(dǎo)通，繼電器通電吸和。這種工作狀態(tài)為開(kāi)機(jī)接通、定時(shí)斷開(kāi)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(hào)的檢測(cè)和放大。反射回來(lái)的超聲波信號(hào)經(jīng)4580的2級(jí)放大1000倍（60dB），第1級(jí)放大100倍（40dB），第2級(jí)放大10倍（20dB）。由于一般的運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對(duì)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(hào)的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號(hào)失真。其電路連接如圖310所示。圖310 反射信號(hào)放大電路連接圖為了降低測(cè)距系統(tǒng)的誤差這里使用NJM4580D作為放大器,NJM458D是一個(gè)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