【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 此電路上加功率放大電路。從接收傳感器探頭UCM40T傳來(lái)的超聲回波很微弱(幾十個(gè)mV級(jí))，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)此部分電路時(shí)采用一級(jí)放大，和一帶通濾波電路，中心頻率4OKHZ左右，放大濾波電路均采用了高速精密運(yùn)算放大器TL082，輸出信號(hào)大約在5V左右。由于放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)的正弦波疊加信號(hào)，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號(hào)常為下降沿脈沖信號(hào)，故信號(hào)在放大電路后通過LM393構(gòu)成的比較電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，目的使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號(hào)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。木章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減。通過詳細(xì)分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個(gè)重要參數(shù)給出木系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器的特性參數(shù)。分析了超聲波測(cè)距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出一了測(cè)距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、環(huán)境溫度、發(fā)射脈沖寬度對(duì)超聲測(cè)距精度的影響。3超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在以上的章節(jié)中，論文對(duì)于設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容及設(shè)計(jì)范圍做了詳細(xì)的敘述，在本章當(dāng)中，將要詳細(xì)的對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路51系列單片機(jī)雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTALXTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。電容值無(wú)嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路、起振速度有少許影響， CC11可在20pF到100pF之間取值。本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇12MHz,電容選擇30pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。51系列單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要VCC的上升時(shí)間不超過1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的。⑴發(fā)射電路波形分析為獲得較高的分辨力，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復(fù)性。此外，發(fā)射波形應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應(yīng)近似為統(tǒng)一頻率的振動(dòng)波，以便于接受時(shí)可以采用濾波器進(jìn)行濾波消除干擾，和每次都接受同樣的振動(dòng)波峰。以避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種干擾和損失。由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)附近空氣產(chǎn)生的疏密波，其波形與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路的設(shè)計(jì)是否合理直接影響發(fā)射波的功率和重復(fù)性。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)試距離太近。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。⑵發(fā)射波形電壓及功率傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失。另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20vpp，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓SV，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。⑶發(fā)射電路常用方案由上面的分析，我們知道發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及其功率。，其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強(qiáng)度的超聲信號(hào)，所以在此間加入一單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖31所示。 圖31發(fā)射電路圖發(fā)射電路采用功率放大電路。功率放大電路的特點(diǎn)：功率放大電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的不失真(或失真較小)的輸出功率，即不僅要輸出大幅度的信號(hào)電壓，同時(shí)還要輸出大幅度的信號(hào)電流，通常是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包括著一系列在電壓放大電路上沒有出現(xiàn)過的特殊問題。接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微小交變電壓信號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。接收電路的任務(wù)是將這一微小交變電壓信號(hào)充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號(hào)，放大同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。圖32前置放大電路圖[13]電路如圖34所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大(一般數(shù)百兆歐姆以上)，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。同時(shí)，換能器的輸出電壓很小，數(shù)十毫伏，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓。前置放大電路是由一個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器TL082及電阻U1U15和U14構(gòu)成，組成一反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。超聲波接受電路接收的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲，而前端放大電路在放大有用信號(hào)的同時(shí)，會(huì)將一部分的噪聲信號(hào)同時(shí)放大[13]。于是設(shè)計(jì)出一高品質(zhì)因素的濾波器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)十分重要。集成運(yùn)放非常流行，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。所以采用有源濾波電路濾除無(wú)用的干擾雜波信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中我們需要采用帶通濾波濾除除40kHz以外的其他雜波。所以我們采用如下面圖示的有源帶通濾波電路濾除雜波。圖33 帶通濾波電路當(dāng)接收電路經(jīng)過放大濾波后，就需要進(jìn)行檢測(cè)，這就需要一個(gè)檢測(cè)電路。這個(gè)部分非常關(guān)鍵，關(guān)系到以后電路是否能正常工作，還決定系統(tǒng)的精度問題。檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的要求是保證每次接收信號(hào)都能被準(zhǔn)確的鑒別出來(lái)，通常利用比較器將輸入信號(hào)與某一固定電平進(jìn)行比較，輸出不同的電平來(lái)產(chǎn)生上升或下降沿觸發(fā)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的外中斷引腳。圖34比較檢測(cè)電路由于LM393具有集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)，所以在電源與輸出之間，加一上拉電阻，電容C5起簡(jiǎn)單濾波作用。具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到前級(jí)放大濾波電路輸出是峰峰值為5V左右的連續(xù)正弦波信號(hào)的疊加，所以分別取U7=20K和U6=1K，則參考電壓為V=VccU7/(U6+U7)=51/21=238mV。上拉電阻U4=1K,電容C=1000pF。當(dāng)進(jìn)入比較器的輸入信號(hào)高于238mv時(shí)，比較器輸出電壓為5V。輸入信號(hào)低于238mV時(shí)，比較器輸出電壓為0V，利用此邊沿跳變來(lái)控制單片機(jī)中斷INT0，停止計(jì)時(shí)。本系統(tǒng)采用共陰七段數(shù)碼管顯示所測(cè)距離值。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出端口為單片機(jī)的P0口，、,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用NPN三極管S9013驅(qū)動(dòng)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口夠用所以不必考慮接口問題。如下圖所示。圖36顯示電路AT89C51介紹AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128 B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。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：(1) 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；(2) 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；(3) 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；(4) 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；(5) 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。 AT89C51單片機(jī)芯片3．6本章小結(jié)在本章中著重對(duì)硬件電路圖進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)闡述，硬件電路包括發(fā)射，接受放大，濾波，檢驗(yàn)等幾個(gè)電路部分，其中顯示部分為選用部分，在設(shè)計(jì)中主要依據(jù)模擬電路的基本設(shè)計(jì)思想來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該超聲波測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成，下面主要通過各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的AT89C51單片機(jī)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。根據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：一、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、檢測(cè)電路、顯示電路、門限檢測(cè)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號(hào)、門控信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、峰值采集信號(hào)、遠(yuǎn)近控制信號(hào)的時(shí)序及輸出。二、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。三、 信號(hào)處理RAM 中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：S=*V*T＝*V*(Tr*N)其中，T 為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，Tr 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。在這個(gè)部分中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。四、 數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用三位 LED 表示。由于采用了單片機(jī)AT89C51并考慮整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件都有 AT89C51系列單片機(jī)匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。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。 主程序流程框圖主程序首先是對(duì)系統(tǒng)壞境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端P0和P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)。（這也就是超聲波測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12MHZ的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1um，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按式()計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，設(shè)計(jì)使取20℃時(shí)的聲速為344m/s則有d=(c*t)/2=172T0/1000 cm ()其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。開始定時(shí)中斷子程序有回波嗎讀取溫度單片機(jī)初始化是否開始外部子程序圖42主程序流程圖定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器TMOD定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1都有4種工作方式，可通過TMOD編程設(shè)置來(lái)選擇。TMOD的低4位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0 ，TMOD的高4位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC//TM1M0GATEC//TM1M0中斷允許控制各中斷源的中斷開放或關(guān)閉是有內(nèi)部中斷允許寄存器IE的各位來(lái)控制的。IE的位定義格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0EA—ET2ESET1EX1ET0EX0EA：中斷允許總控位。EA=0，屏蔽所有的中斷請(qǐng)求；EA=1，開放中斷。EA的作用是使中斷允許形成兩極控制，即各中斷源的中斷允許與否，首先受EA位的控制，其次還要受中斷源自己的中斷允許位控制。ET0（ET1）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0（T1）的溢出中斷允許位。ET0=0，禁止T0中斷；ET0=1，允許T0中斷 ；********************************************************************；*超聲波測(cè)距器；*采用AT89C51 12MHZ晶振；*采用共陽(yáng)LED顯示器 ；********************************************************************；測(cè)距范圍7CM~11M，堆棧在4FH以上，20H用于標(biāo)志；顯示緩沖單元在40H~43H，使用內(nèi)存44H、45H、46H用于計(jì)算距離； VOUT EQU ；脈沖輸出端口； START: MOV SP,4FHMOV R0,40H ；40H~43H為顯示