【文章內(nèi)容簡介】 下的振幅大得多，并且產(chǎn)生共振，,一般是一個(gè)放大反饋電路,只有一片晶振是不能實(shí)現(xiàn)震蕩的，于是就有了時(shí)鐘振蕩器。將外部時(shí)鐘電路跟晶振放在同一個(gè)封裝里面,一般都有 4 個(gè)引腳,兩條電源線為里面的時(shí)鐘電路提供電源,又叫做有源晶振,時(shí)鐘振蕩器,讓振蕩頻率能更準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)中使用 12MHz的晶振，通過單片機(jī)內(nèi)部 6 分頻，發(fā)生 2MHz 的ALE 信號，經(jīng)過超聲波發(fā)射電路，獲得探頭所需的 40kHz 的頻率。XTAL1和XTAL2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出端。這個(gè)振蕩器可以使用石英晶體，也可以使用陶瓷諧振器。本系統(tǒng)使用12MHz的石英晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。電容C1和C2起去除噪聲的作用，且應(yīng)保持兩個(gè)電容的值一樣。本系統(tǒng)電容值C20=C25=20PF。 晶體振蕩器的連接。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻RR9一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。超聲波探頭超聲波探頭是發(fā)射和接收超聲波的儀器。本系統(tǒng)超聲波發(fā)射探頭采用T4016，超聲波接收探頭采用R4016，參數(shù)如表。 中心頻率（KHZ）40177。1聲壓((dB))≥115靈敏度(dB))≥64方向角（176。） 6066分辨率(mm)99檢測距離(m)()主要直徑尺寸(mm)外徑高度內(nèi)徑采用收發(fā)分體式超聲波探頭，有以下優(yōu)點(diǎn)：發(fā)射角小，發(fā)射距離遠(yuǎn)，而且余震對接收探頭的影響小，降低了調(diào)試的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)安裝的靈活性，減小了盲區(qū)，同時(shí)提高了檢測距離。74LS04六反向器這里采用74LS04來提高驅(qū)動的功率，以使超聲波發(fā)射信號足夠大，提高測量距離。74LS04內(nèi)有六個(gè)獨(dú)立的反向器，每個(gè)反向器都可執(zhí)行邏輯的反向操作，它還可構(gòu)成振蕩器，進(jìn)行脈沖整形和小信號的電壓放大等。其中一個(gè)非門用來為驅(qū)動器的一側(cè)提供180176。的相移信號，另一側(cè)由相內(nèi)信號驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)使驅(qū)動電壓提高一倍。為提高超聲波探頭的驅(qū)動電壓，采用兩個(gè)74LS04并聯(lián)的形式。74LS04是六反向器， 74LS04內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 74LS04主要電特性輸出由低到高傳輸延遲時(shí)間TLHP（ns）輸出由高到低傳輸延遲時(shí)間TPHL（ns）電壓（V）PD（mW）最小電壓額定電壓最大電壓910512由于超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳輸距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離障礙物反射的回波信號一般比較弱(接收電壓為mv級)，所以在設(shè)計(jì)超聲波接收電路時(shí)，要有較大的放大倍數(shù)。為減小環(huán)境噪聲對回波信號的影響，也要考慮選用濾波特性較好的電路，使回波易于檢測。超聲波接收電路使用了集成電路CX20106A。CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路，紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路()。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，(a)所示，（b）所示。 CX2OIO6的內(nèi)電路框圖及信號流向和引腳CX2O106A是一塊8腳單列直插式超小型塑封結(jié)構(gòu)的IC。 各引腳功能及外接元件的作用1腳 IN 信號輸入端 該腳輸入阻抗約為40士5k2腳 C1 RC網(wǎng)絡(luò)連接端 該腳與地間接有RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，用來確定前置放大器的頻率特性和增益。電阻增大，電容值小，則增益低:反則高。但電容不宜過大，否則瞬態(tài)響應(yīng)速度會降低。3腳 C2 檢波電容連接端 該腳與地間連接著檢波電容。電容量大為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低。電容量小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動大，易造成遙控誤動作。4腳 GND 接地端5腳 f0 帶通濾波器中心頻率設(shè)置端 該腳與電源間所接電阻R2用來設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0。6腳 C3 積分電容連接端 該腳所接的積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330PF。當(dāng)其容量值變大，則外部噪波干擾增強(qiáng)，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增加，遙控距離變短。7腳 OUT 信號輸出端 只R3電阻后。8腳 Vcc 供電電源端 集成電路CX20106A可用來完成信號的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能。 CX20106A參數(shù)值參數(shù)名稱最小典型最大單位輸入電壓V輸出電壓(低電平)V輸出漏電流0μA電壓增益747984dB帶通濾波器特性49dB輸入阻抗274055KΩ檢波能力440540750μs消耗電流mA其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號強(qiáng)時(shí)放大器不會過載。其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳5的外接電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感，可避免外磁場對電路的干擾，可靠性較高。CX20106A接收超聲波有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求。同時(shí)，使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾，減小電噪聲。 超聲波檢測接收電路 顯示電路 單片機(jī)采用89S51 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。 端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40KHz 方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管驅(qū)動。 單片機(jī)及顯示電路原理圖74LS245雙向總線發(fā)送器/接收器(3S) 簡要說明: 245為三態(tài)輸出的八組總線收發(fā)器,。 雙列直插封裝動態(tài)特性(TA=25℃) 參數(shù)測試條件74LS245單位最大PLH輸出由低到高傳輸延遲時(shí)間Vcc=5V CL=45pF RL=667Ω12nstPHL輸出由高到低傳輸延遲時(shí)間12nstPZH輸出由高阻態(tài)到高允許時(shí)間40nstPZL輸出由高阻態(tài)到低允許時(shí)間40nstPHZ輸出由高到高阻態(tài)禁止時(shí)間Vcc=5V CL=5pF RL=90Ω25nstPLZ輸出由低到高阻態(tài)禁止時(shí)間25ns靜態(tài)特性（TA為工作環(huán)境溫度范圍）參數(shù)測試條件74LS245單位最小最大VIK輸入嵌位電壓Vcc=最小，Iik=18mAV△VT滯后電壓Vcc＝最小VVOH輸出高電平電壓Vcc＝最小，VIL＝最大，VIH=2V, IOH＝－3mAV 74LS245主要電器特性的典型值LED顯示器超聲液位測量系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結(jié)果采用十進(jìn)制數(shù)字顯示。只需能顯示09的數(shù)字以及小數(shù)點(diǎn)，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。因此顯示部分采用七段半導(dǎo)體數(shù)碼管即燒LED，數(shù)碼管顯示液位數(shù)字，顯示精度lmm。七段LED數(shù)碼顯示器內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的g—a七個(gè)發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。(a)所示。而在共陽極接法中，剛好與共陰極接法向反,LED數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)碼管管腳原理圖，（b）、(c)所示。（a）數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)（b）數(shù)碼管管腳圖（共陰極）（c）數(shù)碼管管腳圖（共陽極） LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。本設(shè)計(jì)中采用動態(tài)顯示方式，以實(shí)時(shí)顯示液位變化。表318列出了共陰極和共陽極LED數(shù)碼管顯示的字形碼，設(shè)計(jì)中采用共陽極型，根據(jù)表中數(shù)據(jù)編寫相應(yīng)的程序，控制數(shù)碼管根據(jù)單片機(jī)計(jì)算出的液位值顯示正確的液位高度。表318段LED數(shù)碼管顯示字型碼顯示字符gfedcba字符型共陰極共陽極001111113FC01000011006F9210110115BA4310111114FB0411001106699511011016D92611111017D827000011107F8811111117F80911011116F90由于LED數(shù)碼管發(fā)光所需平均電流為10—20 mA，單片機(jī)端口線無法直接提供，因此必須外加驅(qū)動器，再與LED引腳相連。驅(qū)動器的選擇與顯示方式有關(guān)，靜態(tài)顯示時(shí)只需考慮段的驅(qū)動，動態(tài)顯示時(shí)須同時(shí)考慮段與位的驅(qū)動。比較簡單的驅(qū)動電路可成由三極管構(gòu)，利用三極管的放大作用驅(qū)動LED顯示。本設(shè)計(jì)中正是采用此方法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動功能。在顯示位數(shù)較多時(shí)，直接使用三極管驅(qū)動電路比較復(fù)雜，多采用集成電路驅(qū)動器。本設(shè)計(jì)采用電磁式蜂鳴器作為警戒液位報(bào)警提示。，單片機(jī)AT89S51的P11口通過PNP型三極管驅(qū)動蜂鳴器。當(dāng)P11輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。合理的布局是布線的前提和根本，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)電路的布局規(guī)則和相關(guān)原理首先對元器件進(jìn)行合理的布局。在實(shí)際PCB設(shè)計(jì)中，通過分析干擾產(chǎn)生的機(jī)理和可能的干擾途徑，主要采取了以下措施：，合理布局，以減少模塊間的噪聲耦合。，負(fù)載的變化會引起電源干擾，當(dāng)電路從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲。，以抑制電源線上的電壓波動。模擬地和數(shù)字地只有一個(gè)共接點(diǎn)，其接點(diǎn)選在電源輸入處。，走線盡量短，電路板上空余不用的地方都鋪地。若接地線用很細(xì)的線條，則接地電位會隨電流的變化而變化，使其抗噪性能降低。、控制線要盡量短，以減少對地電容。數(shù)據(jù)線的各線長短、布線方式應(yīng)盡量一致，以免造成各線的阻抗差異過大，使數(shù)據(jù)和地址信號傳輸過程中到達(dá)終端時(shí)波形差異過大，同時(shí)也避免形成各線上信號的不同步。，易受到干擾而引起誤操作的管腳采用上拉或下拉處理，使其處于穩(wěn)定狀態(tài)避免誤操作。未用的I/O引腳，如果引腳默認(rèn)為輸入引腳，需要將其上拉或下拉為固定的電平，以降低功耗；如果默認(rèn)狀態(tài)為輸出引腳，則可以懸空不接。 本章小結(jié) 本章基于時(shí)差測距原理設(shè)計(jì)了 89C51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、LED顯示超聲波液位儀數(shù)據(jù)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了原理框圖和硬件各部分的功能。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)流程圖 單片機(jī)液位儀的軟件功能是控制超聲波的發(fā)射和接收，對超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行測量，結(jié)合超聲波的傳播速度，計(jì)算出距離，并把數(shù)字濾波后的結(jié)果顯示出來。要實(shí)現(xiàn)上述功能，軟件包含初始化、參數(shù)讀入、超聲波發(fā)射、超聲波傳輸計(jì)時(shí)、聲速計(jì)算、超聲波傳輸距離計(jì)算、計(jì)算結(jié)果顯示等功能模塊。軟件總體流程圖,如圖 所示。 軟件總體框圖軟件設(shè)計(jì)運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對不同功能的程序進(jìn)行分別編程，這樣不但使得整個(gè)軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。 按照液位測量儀的需要，超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊主要任務(wù)是用單片機(jī)產(chǎn)生 40kHz 的脈沖，驅(qū)動超聲波探頭器發(fā)射超聲波，同時(shí)采用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)；當(dāng)超聲波接收器接收到回波信號時(shí)停止計(jì)時(shí)，由此得出超聲波的傳輸時(shí)間 T,再利用第二章所介紹的公式，可求出待測距離 h，由此算出液體的高度[33]。 主程序結(jié)構(gòu)流程圖 主程序是單片機(jī)程序的主體，它負(fù)責(zé)調(diào)用系統(tǒng)的子程序，中斷程序等各個(gè)功能轉(zhuǎn)換。如圖所示為系統(tǒng)的主程序流程。程序首先完成初始化過程，然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會判斷在發(fā)射信號后延時(shí)等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即回波是否到達(dá)。 由于采用了單片機(jī) 89S51 并考慮整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件都由89S51 系列單片機(jī) 匯編語言實(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。 主程序結(jié)構(gòu)框圖 回波接收流程圖圖 回波接收結(jié)構(gòu) 中斷程序流程圖中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的 40KHz 脈沖信號遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中，要從把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并保存在 RAM 中，再對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后顯示輸出。如圖 。 定時(shí)中斷子程序框圖 。當(dāng)系統(tǒng)顯示完所測的液位后，