【文章內(nèi)容簡介】 能器 電聲換能器 驅動電路 8 3 超聲波硬件 設計方案 按照系統(tǒng)設計的功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共 四個模塊組成。 單片機使用 51系列 的 C8051F410 單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機課程設計中經(jīng)常使用到的控制芯片。 發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡單，調(diào)試工作小較小。 圖 系統(tǒng)設計框圖 硬件電路的設計主要包括單片機系統(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。 單片機 的晶振 采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。通過 單片機 的 40kHz 的方波信號， 監(jiān)測 超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用 當下最流行 的 漢顯 LCD 液晶顯示屏 ， 顯示控制線 接入單片機的 、 、 、 、 ，顯示控制總線接入單片機的 、 、 、 、 、 超聲 波測距信號的顯示。 超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機 輸入一個低電平脈沖。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時器 T0計時，當檢測到 由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計時器計時。單片機 將測得的時間與聲速相乘再除以 2即可得到測量值，最后經(jīng)液晶顯示屏將測得的結果顯示出來。 C8051F410 單片機 系統(tǒng)概述 C8051F 系列器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級 MCU 芯片，有真正的 12 位多通道 ADC(F206),8 位多通道 ADC(F220/1/6)或沒有 ADC，每種器件都有與 8051 兼容的超聲波接收模塊 超聲波發(fā)射模塊 單片機控制系統(tǒng) （C8051F410） 顯示模塊 按鍵 供電單元 9 CIP51微控制器內(nèi)核和 8K字節(jié)的 FLASH 存儲器，還有硬件實現(xiàn)的 UART 和 SPI串行接口，該系列器件 22 或 32 個通用 I/O 引腳，其中一些引腳用于數(shù)字外設接口，任何一個端口引腳都可以配置為 ADC 的模擬輸入。采用流水線結構，單周期指令運行速度是 8051 的 12 倍，全指令集成運行速度是原來的 倍。 片內(nèi)還集成了 VDD監(jiān)視器， WDI,和時鐘振蕩器，片內(nèi) FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，并可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，可以關閉任何一個或全部外設以節(jié)省功耗。所有器件都有 256 字節(jié)的 SRAM， F206/226/236 還另有 1024 字節(jié)的 RAM. 片內(nèi) JTAG 調(diào)試支技功能允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）全速 系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點，觀 察點，單步及運行和停機命令。在使用 JTAG 調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。 每個 MCU都可以在工業(yè)溫度范圍內(nèi)用 的電壓工作，有 48 腳 TQFP 和32 腳 LQFP 封裝端口 I/O 容許 5V 的輸入信號。 C8051F 的特點 (1)高速流水線結構的 8051 與 MCS51 指令集完全兼容 (2)4 個 8 位寬的 I/O 端口 (3)峰值速度達 25MIPS（時鐘為 25MHZ 時） (4)全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口片內(nèi)，真正 12 位（ 8051F020） ,或 10 位C8051F02213 100KSPS 的 8 位通道 ADC 帶 PGA 和模擬多路開關。 (5)0~25MHZ 的時鐘頻率 (6)電源管理方式 (7)可選的 1024 字節(jié) XRAM (8)8K 字節(jié) FLASH 程序存儲器 (9)片內(nèi)看門狗定時器， VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器。 C8051F 單片機增加的功能 在 CIP51 內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項關鍵性的改進，提高了整體性能更易于在最終應用中使用。 擴展的中斷系統(tǒng)向 CIP51 提供 22 個中斷源，標準（ 8051 只有 7個中斷源）允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器，一個中斷驅動的系統(tǒng)需要較少的 MCU干預， 10 卻有更高的 執(zhí)行效率，在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。 MCU 可有多達 6 個復位源 。一個片內(nèi) VDD 監(jiān)視器，一個看門狗定時器，一個時鐘丟失檢測器，一個由比較器 0提供的電壓檢測器，一個軟件強制復位以及外部復位引腳， /RST引腳是雙向的可接受外部復位或將內(nèi)部產(chǎn)生的上電復位信號輸出到 /RST 引腳，通過將MONE 引腳拉為高電平來使能片內(nèi) VDD 監(jiān)視器除了 VDD 監(jiān)視器和復位輸入引腳以外，每個復位源都可以由用戶軟件禁止。在一次上電復位之后的 MCU 初始化期間， WDT 可以一直被允許。 C8051F020 內(nèi)部電路包括 CIP51 微控制器內(nèi)核及 RAM, RO, I/O 口，定時 /計數(shù)器。ADC, DAC, PCA, SPI 和 SMBVS 等部件。即把計算機的基本組成單元以及模擬和數(shù)字外設集成在一個芯片上，構成一個完整的片上系統(tǒng)（ SOS） . C8051F 單片機的引腳圖 圖 C8051F 單片機的引腳圖 超聲波測距系統(tǒng)構成 設計的思路 本系統(tǒng)的設計思想是采用以 C8051F 單片機為核心，來設計一種低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀。 超聲波測距可測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用 S=Ct/2 就可以算出距離 , 再在 LCD 上顯示出來。當然還可以設置若干個鍵，以用來控制電路的工作狀態(tài)。限制的最 11 引腳名稱 F226,F230,48 F221,F231,32 類型 說明 VDD 11,31 8 數(shù)字電源 GND 5,6,8,13 9 地 XTAL1 9 6 模擬輸入 為晶體或陶瓷諧振器的內(nèi)部振蕩電路 XTAL2 10 7 模擬輸出 為晶體或陶瓷諧振器的激勵驅動器 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 0 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 1 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 2 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 3 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 4 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 5 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 6 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 0位 7 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 0 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 1 P2,2/MOSI 22 14 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 2 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 3 15 11 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 4 16 12 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 5 17 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 6 18 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 2位 7 44 數(shù)字 I/O口模擬輸入 端口 3位 0 表 C8051F 單片機引腳和封裝定義 12 大 可測距離存有四個因素 :超 聲波的幅度，反射面的質地，反射面和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。 根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，采用 C8051F 單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LCD 液晶屏 數(shù)字顯示，超聲波驅動信號可以用單片機的定時器和計數(shù)器來完成。 設計的重點與難點 本設計的任務是設計一個超聲波測距儀 ，可以應用于汽 車倒車位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。 測量范圍在 01m，測量精度 12cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯 示測量結果。 系統(tǒng)組成的設計：各部分硬件的選取很有講究，要十分合理。 設計的難點是： (1)超聲波信號的接收、發(fā)射的設計 (2)顯示電路設計 (3)流 程圖及程序的設計 硬件設計的原理圖 MCU 及其超聲波驅動電 路 圖 MCU及其超聲波驅動電路 圖 電路如圖 所示。圖為超聲波測距儀 的 MCU 及其超聲波驅動電路 原理圖，圖中采用 13 C8051F 單片機作為主控制器 ， 通過 單片機 的 端口輸出超聲波換能器所需的 的 方波信號 ， 信號又經(jīng)過兩極 74LS04 反相器 后驅動超聲波探頭發(fā)射超聲波。 口控制 兩個反相器 。 輸出高電平時， 兩個反相器 通路 ，發(fā)射 40KHZ 超聲波； 輸出低電平時，停止發(fā)射。 反相器的作用是防止單片機初始化時超聲波探頭瞬間動作。 蜂鳴器電路 電路如圖 所示。 通過供電電路給蜂鳴器電路供 +5V 電源，接入蜂鳴器 BEER 的第一引腳作為供電電源。蜂鳴器的第二引腳接入三極管 S8050 的集電極同時將 S8050 的發(fā)射極接地，然后有單片機的 控制 S8050 做蜂鳴器的開關使用。當單片機發(fā)出高電平是三極管導通，蜂鳴器發(fā)出聲音；當單片機 口發(fā)出低電平時蜂鳴器不發(fā)聲。 圖 40KHZ 超聲波接收 處理 電路 電路圖如圖 。超聲波探頭接收由障礙物反射回來的超聲波。其中， AD620 作為第一級 放大電路 對接收回來的超聲波信號進行 一千倍 的 信號 放大，然后將信號送入TL084 進行信號的第二級放大 ， 放大 20 倍 。 信號再進入由 TL084 組成的一階濾波電路同時進行兩倍信號放大。然后信號進入由兩個 TL084 組成的帶通濾波電路 進行濾波同時將信號放大兩倍。然后信號進入由 TL084 和兩個超級二極管組成的整形電路同時將電信號由交流轉換成直流。信號在進入由 TL084 和 C2 C24 組成的電路 對直流信號進行放大 。 信號進入由 TL084 組成的電壓跟隨器增加抗干擾能力并且加大驅動能力。 信號在進入單片機前流經(jīng)由 LM358 組成的鉗 位電路，此電路將電流信號降壓到 用于保護單片機 防止單片機被燒毀。 超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機 輸入一個低電平脈沖。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時器 T0計時，當檢測到 由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計時器計時。單片機將測得 14 圖 40KHZ超聲波 接收處理 電路 的時間 與聲速相乘再除以 2即可得到測量值，最后經(jīng)液晶顯示屏將測得的結果顯示出來。 顯示電路 圖 15 本系統(tǒng)采用液晶顯示屏顯示所測距離值，如圖 。 顯示電路采用 當下最流行 的 漢顯LCD 液晶顯示屏 ， 顯示控制線接入單片機的 、 、 、 、 端口，顯示控制總線接入單片機的 、 、 、 、 、 端口以實現(xiàn)超聲波測距信號的顯示。 16 4 系統(tǒng)軟件設計 主程序編制及流程圖 圖 。開機后先顯示“ 寧夏理工學院 ”亮燈并且蜂鳴器發(fā)聲 ，表示開始工作。 T0 用于記錄發(fā)射至接收的時間間隔 t(單位為 ms)。初始化后，程序控制發(fā)射40KHZ 的超聲波信號，發(fā)射開始立即啟動定時器開始計時。發(fā)射 完成 。 CPU 接收回波信號后，立即產(chǎn)生中斷同時立即停止計數(shù)。定時器專門用于記錄 CPU 發(fā)射脈沖信號前沿至回波脈沖信號前沿之間的距離 t,由此時間可換算出障礙物的距離，并決定嘟聲間隙。可設定T1 的定時值，用來控制嘟聲間隙時間和閃爍顯示時間。 綜合考慮各類因素及 實際情況，為了使計算簡化，取空氣中聲速為 340m/s,或 34cm/ms,則障礙物距離 d 的計算公式如下d=(t*34cm/ms)/2=t*17cm/ms. 中斷服務程序的流程圖 CPU 接收回波信號后，立即產(chǎn)生 INT0 中斷同時 T0 立即停止計數(shù) 取計數(shù)值置有回波標開始 初始化 發(fā)射超聲波，開始計時，停止發(fā)射超聲波 等待回波中斷 有回波否？ 、？ 處理信號，計算距離 圖 主程序流程圖 N Y 17 志 。定時器 T0 專門用于記錄 CPU 發(fā)射脈沖信號前沿至回波脈沖信號前沿之間的距離 t,由此時間可換算出障礙物的距離，并決定嘟聲間隙?？稍O定 T1 的定時值，用來控制嘟聲間隙時間和閃爍顯示時間。 圖 主程序流程圖 信號處理程序 信號處理首先判斷有無回波信號。若 無回波信號，則說明 距離沒有超過警戒距離 ，或所測 距離較遠已超出最大探測距離，此時置閃爍顯示“ ”并發(fā)出長嘟聲。 空中有各種干擾信號，如 工業(yè)粉塵，機器運轉 時發(fā)出的噪聲。這些噪聲中含有 40KHZ的諧波成分，被放大后可能引起顯示干擾。另外