【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，故被測(cè)距離為 S=1/2vt （ 22） 本測(cè)量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變 。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 米 /秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá) 到毫米級(jí) 。 CPU 的選型 本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的，在選擇 CPU之前，我們先來簡(jiǎn)單了解一下單片機(jī)的工作原理 。 單片 機(jī)基礎(chǔ) 知識(shí) 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非常活躍且頗具生命力的機(jī) 種 [4]。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件： CPU(Central Processing Unit，中央處理器 )、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此， 一個(gè)單片機(jī)只需要與 適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 5l系列單片機(jī)中典型芯片 (8051)采用 40引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB的 ROM， 256 B的 RAM， 2個(gè) 16b的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 T0和 T1， 4個(gè) 8位的 I/O端口： P0，P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash可編程、 6 可擦除只讀存儲(chǔ)器 (EPROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 22所示 。 P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7VP D/ R S TP 3 . 0 / R X DP 3 . 1 / T X DP 3 . 2 / I N T OP 3 . 3 / I N T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 5 / T 1P 3 . 6 / W RP 3 . 7 / R DX T A L 2X T A L 1VS S1234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 04 03 93 83 73 63 53 43 33 23 13 02 92 82 72 62 52 42 32 22 1V C CP 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7VP P/ E AP R O G / A L EP S E NP 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 4P 2 . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 08 0 5 1 圖 22 51系列單片機(jī)的封裝引腳圖 5l系列單片機(jī)提供以下功能： 4 kB存儲(chǔ)器； 256 BRAM； 32條 I/O口 線 ； 2個(gè) 16位 定時(shí)／計(jì)數(shù)器； 5個(gè) 2級(jí)中斷源； 1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路。 空閑方式： CPU停止工作，而讓 RAM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。 5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下 構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 CPU 的選型 在綜合考慮了 MCS51的多種單片機(jī)后，我選擇了本科期間學(xué)習(xí)最多，也是最為熟悉的 8051單片機(jī)，此單片機(jī)具有成本低，實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，雖然在功能和操作上較其他一些新型單片機(jī)稍差，但 8051可以滿足本次設(shè)計(jì)的所有要求。 7 系統(tǒng)總體方案分析 系統(tǒng)資源的使用 1 I/O端口的占用 本次設(shè)計(jì)中，超聲波的發(fā)送和顯示電路都要用到單片機(jī)的 I/O口，發(fā)送電路的信號(hào)源由單片機(jī)產(chǎn)生，經(jīng)單片機(jī) ，顯示電路的 LED燈接 單片機(jī)的 P3口。 2 系統(tǒng)資源 系統(tǒng)的資源包括起主控作用的單片機(jī)，單片機(jī)的晶振電路，用來產(chǎn)生 40kHz的超聲波。超聲波的發(fā)射的電路，起放大作用。超聲波的接收電路，用到放大器和一些集成芯片。顯示電路用到 LED燈。 幾種常見的方案 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)、超聲波接收電路的設(shè)計(jì)及 LED顯示電路的設(shè)計(jì)。 超聲波發(fā)射電路的目的主要就是對(duì)單片機(jī)發(fā)出的 40kHz的信號(hào)進(jìn)行放大，再由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出。超聲波接收電路的目的就是使單片機(jī)能夠接收到信號(hào)比較強(qiáng)并且無其他明顯干擾的 40kHz的波形 ，使單片機(jī)能夠在接收到此信號(hào)后停止計(jì)時(shí)。其主要原理主要有兩個(gè)，第一個(gè)是經(jīng)放大后，以整形濾波為主的電路 [5]，第二個(gè)是經(jīng)放大后，以檢波為主的電路，這兩種電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，電路也各不相同。同時(shí)對(duì)其中的任意一種原理的電路也有很多種。圖 23與圖 24為這兩種原理的 流程圖 。 超 聲 波 接 收 器 放 大 電 路 整 形 濾 波 電 路單 片 機(jī)顯示電路超 聲 波 發(fā) 射 器放 大 電 路 圖 23 放大整形濾波的電路流程圖 8 超 聲 波 接 收 器 放 大 電 路 檢 波 電 路單 片 機(jī)顯示電路超 聲 波 發(fā) 射 器放 大 電 路 圖 24 放大檢波電路的電路流程圖 根據(jù)這兩種不同原理所設(shè)計(jì)的電路有很多，本文列出以下幾 種供參考。 發(fā)射電路有以下幾種： S E N DC 1R 12 S A 1 0 1 52 S C 1 8 1 5R 2P 1 . 0V C C 圖 25 由三極管構(gòu)成的發(fā)射電路 此電路采用兩個(gè)三極管進(jìn)行放大 [6]。 U 4 A U 4 BU 4 DU 4 CU 4 ER 1R 2V C C7 4 H C 0 47 4 H C 0 4S E N DP 1 . 0 圖 26 由集成芯片 74HC04構(gòu)成的發(fā)射電路 如圖 26，編程由單片機(jī) 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給 由 74HC04組 成的推挽式電路進(jìn)行 功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射 換能器 9 TCT40－ 16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路。圖中輸出端上拉電阻 R31，R32，一方面可以提高反向器 74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間 [7]。 RT R IGC V o ltV C C QD IST H RG N D5 5 5+ 5 VR 1R 2C 1C 24258376P 1 .0S E N D 圖 27 由 555集成芯片構(gòu)成的發(fā)射電路 需要注意的是，圖 27中的由 555集成芯片 構(gòu)成的發(fā)射電路其所發(fā)出的超聲波不是單純 由單片機(jī)產(chǎn)生的，而是單片機(jī)產(chǎn)生的 由 P1. 0 輸出一個(gè) 250 μs 的高電平 ,經(jīng)過 555振蕩成 10 個(gè) 25μs 的 40 kHz 脈沖 [8]，其在原理上與其他電路不同。 V C CR 1R 2TS E N DP 1 . 0 圖 28 由一個(gè)三極管構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 圖 28是由一個(gè)三極管和兩個(gè)上拉電阻組成的超聲波發(fā)射電路。 圖 25所示的電路與 圖 28所示的電路都是由三極管構(gòu)成的，圖 25中因?yàn)橛袃蓚€(gè)三 10 極管，所以其放大倍數(shù)有所增加，但三極管放大強(qiáng)度和效果并沒有圖 26中的 74HC04好，并且其穩(wěn)定性和可靠性也不如 74HC04高。 圖 27中的由 555集成芯片 構(gòu)成的發(fā)射電路 ，其40kHz的方波脈沖是由 555振蕩產(chǎn) 生，屬于外部信號(hào)源，其操作麻煩，不易使用。所以本次設(shè)計(jì)采用圖 26所示的由 74HC04構(gòu)成的發(fā)射電路。 超聲波接收電路較發(fā)射電路會(huì)比較復(fù)雜，經(jīng)過查資料，接收電路一般有以下幾種，如圖所示。 D 1D 2C 1C 2L M 7 4 1C 3C 4C 5R 3R 4R 1R 2R 5I N T O+V C C 圖 29 由 LM741組成的放大濾波電路 超聲波探 頭 接收到超聲波后，通 過 聲 電轉(zhuǎn)換 ， 產(chǎn) 生一正弦信號(hào)，其 頻 率 為傳 感器的中心 頻 率，即 40kHz。 該 信號(hào)通 過 C1 高通 濾 波后 經(jīng) LM741 放大，最后 經(jīng) 二極管整形后 輸出到 單 片機(jī)中斷口。 LM741 是一 單 運(yùn)放集成芯片 。 圖 210是由檢波芯片 LM567構(gòu)成的接收電路， LM358將 超聲波探頭傳遞過來 的信號(hào)放大后 又傳遞給 LM567檢波， LM567的濾波頻率設(shè)定為 40kHz。 11 3 4 8L M 5 6 756 7 1 2SR 1R 2+ 5 V+ 5 VR 3R 4C 1C 2R 5R 6C 3C 3C 4I N T O++L M 3 5 8 AL M 3 5 8 B 圖 210 由 LM567組成的放大檢波電路 C X 2 0 1 0 6V C CI N T OI N 2 3 G N D 5 6 O U T V C CC 1R 1C 2C 3R 2C 4R 3R0 . 0 5 6u F4 . 7 k1 u F2 2 0 k3 3 0 p F2 2 k3 . 3 u F 圖 211 由 CX20206集成芯片組成的接收電路 12 RC 1R 1R 2D 1D 2R 3C 2T L 0 8 4 AT L 0 8 4 BR 4R 5C 4C 33 9 3+ 2 . 5 5 V+ 2 . 5 V+ 2 . 5 5 VR 6+ 1 2 VI N T O+++ 圖 212 放大整形的接收電路 圖 29所示的電路是將接收到的信號(hào)經(jīng)過濾波放大并經(jīng)過 一個(gè)加法電路整定成一個(gè)穩(wěn)定的高電平信號(hào)，再送至單片機(jī)，但經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，其穩(wěn)定性并不好，而且參數(shù)的設(shè)定比較麻煩，所以本次設(shè)計(jì)不用其作為接收電路。 圖 210所示電路因?yàn)?LM567檢波芯片 在噪聲幾十 mV到 幾百 mV時(shí)自身相應(yīng)時(shí)間誤差也能到毫秒級(jí) ，其誤差較大，而且 LM567的響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，所以本次設(shè)計(jì)也不采用這種電路。圖 211所示的由集成芯片 CA20206A構(gòu)成的接收電路無論從穩(wěn)定性還是濾波效果都比較出色，所以 ，本設(shè)計(jì)中選擇圖 211所示的由紅外接收芯片 CX20206A為主要組件的接收電路。本文將在第三章詳細(xì)介紹 發(fā)射電路和接收電路的工作原理。 13 第三章 硬件設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 由單片機(jī) 8051編程產(chǎn)生 40kHz 的方波，由 ，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理 ,送至單片機(jī)。單片機(jī)利 用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出來。 該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射 /接收電路和 LED 顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路 相連 ,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接 ,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖 31 所示 。 圖 31 時(shí)序圖 單片機(jī)在 T0 時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t，由此便可計(jì)算出距離。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、發(fā)射電路和接收檢波電路三部分組成。 14 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 由單片機(jī)產(chǎn)生的 40kHz 的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波 ，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是一個(gè)信號(hào)放大電路，本課題所選用的是 74HC04 集成芯片。 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T能向外界發(fā)出 40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī) 端口輸出 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由 74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求， 最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT40－