【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 接收模塊設(shè)計(jì)超聲波信號(hào)在空氣中傳播一段距離后碰到運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)，接收部分的電路由放大電路、信號(hào)變換電路以及超聲信號(hào)檢測(cè)電路三部分組成組成。由于在空氣中傳播后會(huì)發(fā)生一定衰減，波形會(huì)發(fā)生失真，所以需要在接收到超聲波信號(hào)應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行整形放大。在經(jīng)過(guò)整形放大后需要把正弦信號(hào)變換成方波信號(hào)以便進(jìn)行電平分析。超聲波接收電路原理圖如圖7所示：圖5所示電路中超聲波接收探頭接收到信號(hào)后先經(jīng)過(guò)整形放大電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大，然后將正弦波信號(hào)加入到由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器對(duì)波形進(jìn)行變換，變換為方波信號(hào)后加入到紅外線檢波接收專用芯片CX20106a，當(dāng) CX20106A 接收到方波信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。圖5 超聲波接受模塊原理圖圖5中收到的超聲波信號(hào)通過(guò)一個(gè)放大倍數(shù)為11倍的同向比例放大器進(jìn)行放大[19]，然后加入到施密特觸發(fā)器進(jìn)行波形變換。555定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，利用它能極方便地構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。由于使用靈活、方便，所以555定時(shí)器在波形的變換與產(chǎn)生、測(cè)量與控制等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。其引腳圖6所示：圖6 LM555CM引腳圖將555定時(shí)器的２管腳和６管腳連在一起作為信號(hào)輸入端，即可得到施密特觸發(fā)器。當(dāng)輸入正弦波信號(hào)，則３腳的輸出即為方波如圖7所示：LM555 圖7波形變換圖在經(jīng)過(guò)波形變換后進(jìn)入超聲波檢測(cè)電路，超聲波檢測(cè)電路由紅外接收專用芯片CX20106a組成，引腳圖如圖8所示：圖8 CX20106a引腳圖各引腳功能如下所示：1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。 2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作。 4腳：接地端。 5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時(shí)，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。 6腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kΩ，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。 8腳：電源正極，～5V。 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)是一種集成的電路芯塊采用了超大規(guī)模技術(shù)把具有運(yùn)算能力（如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理）的微處理器（CPU）,隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），只讀程序存儲(chǔ)器（ROM），輸入輸出電路（I/O口），還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口（SCI），顯示驅(qū)動(dòng)電路（LCD或LED驅(qū)動(dòng)電路），脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單片機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)最小然而很完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確快速的完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)?？偟亩詥纹瑱C(jī)的特點(diǎn)可以歸納為以下幾個(gè)方面：集成度高、存儲(chǔ)容量大、外部擴(kuò)展能力強(qiáng)、控制功能強(qiáng)、低電壓、低功耗、性能價(jià)格比高、可靠性高這幾個(gè)方面。單片機(jī)按內(nèi)部數(shù)據(jù)通道的寬度，可分為4位、8位、16位及32位單片機(jī)。它們被應(yīng)用在不同領(lǐng)域里，8位單片機(jī)由于功能強(qiáng)大，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能接口、儀表儀器等各個(gè)領(lǐng)域。8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合仍占主流地位，代表了單片機(jī)的發(fā)展方向，在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越大的作用。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足發(fā)展。單片機(jī)有著微處理器所不具備的功能，它可以獨(dú)立地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能這就是單片機(jī)的最大特點(diǎn)。然而單片機(jī)又不同于單板機(jī)，芯片在沒(méi)有開(kāi)發(fā)前，它只是具備功能極強(qiáng)的超大規(guī)模集成電路，如果賦予它特定的程序，它便是一個(gè)最小的、完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。它與單板機(jī)或個(gè)人電腦有著本質(zhì)的區(qū)別，單片機(jī)屬于芯片級(jí)應(yīng)用，需要用戶了解單片機(jī)芯片的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)以及其它集成電路應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的理論和技術(shù)，用這樣特定的芯片設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，從而使芯片具備特定的智能。AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。它一共有40個(gè)引腳，引腳又分為四類。其中有四個(gè)電源引腳，用來(lái)接入單片機(jī)的工作電源。工作電源又分主電源、備用電源和編程電源。還有兩個(gè)時(shí)鐘引腳XTALXTAL2。還有由P0口、P1口、P2口、P3口的所有引腳構(gòu)成的單片機(jī)的輸入/輸出（I\O）引腳。最后一種是控制引腳，控制引腳有四條，部分引腳具有復(fù)位功能。綜上所述，單片機(jī)的引腳特點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C(jī)多功能，少引腳，使得引腳復(fù)用現(xiàn)象較多。單片機(jī)具有四種總線形式：P0和P2組成的16位地址地址總線；P0分時(shí)復(fù)用為8位數(shù)據(jù)總線；ALE、PSEN、RST、EA和P3口的INT0、INTT0、TWR、RD以及P1口的TT2EX組成控制總線；而P3口的RXD、TXD組成串行通信總線。 鑒于89C52所具備的功能可以實(shí)現(xiàn)本測(cè)速系統(tǒng)的要求，所以本系統(tǒng)主控芯片選擇89C52，然后在主芯片外圍加上12MHZ的晶振，以及電源等電子元器件構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)要求按鍵控制超聲波信號(hào)的發(fā)射，數(shù)碼管顯示，所以在最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再加以補(bǔ)充電路。 物體的運(yùn)動(dòng)速度經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)算處理后送到數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管顯示的電路連接圖如圖10所示，數(shù)碼管顯示所用的驅(qū)動(dòng)為集成芯片74HC573，其引腳圖如圖9所示：圖9 74HC573引腳圖圖9為74HC573引腳圖，74HC573有三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)輸出、置數(shù)全并行存取、使能輸入以及有改善抗擾度的滯后作用等特點(diǎn)。74HC573的八個(gè)鎖存器都是透明的D 型鎖存器，當(dāng)使能（G）為高時(shí)，Q 輸出將隨數(shù)據(jù)（D）輸入而變。當(dāng)使能為低時(shí)，輸出將鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。輸出控制不影響鎖存器的內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以保持，甚至當(dāng)輸出被關(guān)閉時(shí)，新的數(shù)據(jù)也可以置入。這種電路可以驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗負(fù)載，可以直接與系統(tǒng)總線接口并驅(qū)動(dòng)總線，而不需要外接口。特別適用于緩沖寄存器，I/O 通道，雙向總線驅(qū)動(dòng)器和工作寄存器。 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后與前文所設(shè)計(jì)的超聲波發(fā)射與接收電路進(jìn)行連接，整體設(shè)計(jì)原理圖見(jiàn)附錄2。圖10 數(shù)碼管顯示電路本次設(shè)計(jì)的所使用的數(shù)碼管為共陰極，圖10所示的兩個(gè)三位數(shù)碼管，可以看到所有數(shù)碼管的陽(yáng)極，即標(biāo)有A、B、C、D、E、F、G、H的引腳全部連接在一起，然后與上面的U4 元件74HC573鎖存器的數(shù)據(jù)輸出端相連，鎖存器的數(shù)據(jù)輸入端連接單片機(jī)的P0口，P0口同時(shí)加了上拉電阻。數(shù)碼管中WE1，WE2，WE3，WE4，WE5，WE6是它們的位選端，每一個(gè)數(shù)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)位選端，與上面的U5元件74HC573的數(shù)據(jù)輸出端的低6位相連，U5的數(shù)據(jù)輸入端也連接到單片機(jī)的P0口。、因?yàn)閱纹瑱C(jī)可以控制鎖存器的鎖存端，進(jìn)而控制鎖存器的數(shù)據(jù)輸出，這種分時(shí)控制的方法便可以方便的控制數(shù)碼管顯示任意數(shù)字。 小結(jié) 本章對(duì)超聲波測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括了超聲波發(fā)射、超聲波接收、單片機(jī)控制以及數(shù)碼管顯示幾部分。其中超聲波發(fā)射又包括低通濾波電路和超聲波換能電路，超聲波接收則包括整形放大電路、波形變換電路以及超聲波檢測(cè)接收電路。有了超聲波發(fā)射與接收的硬件電路，為后續(xù)單片機(jī)控制軟件編程打下了基礎(chǔ)。 第3章 超聲波測(cè)速系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 主程序由超聲波超聲波測(cè)速用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)可以大大縮短開(kāi)發(fā)周期，明顯增強(qiáng)程序的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充。使用C語(yǔ)言進(jìn)行8052系列單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，編程者可以專注于應(yīng)用軟件部分的設(shè)計(jì)，不必將大量的精力花在內(nèi)存分配等底層工作上，從而大大加快了軟件開(kāi)發(fā)的速度。因此，本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)軟件調(diào)試的環(huán)境是Keil uVision4。本次設(shè)計(jì)的超聲波雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng)同時(shí)具有時(shí)差法以及多普勒測(cè)速功，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化之后，調(diào)用發(fā)射子程序產(chǎn)生產(chǎn)生兩個(gè)周期40KHZ的方波發(fā)射出去，同時(shí)定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波信號(hào)碰到物體反射回來(lái)后，當(dāng)接收器收到回波信號(hào)時(shí)定時(shí)器0停止工作，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1，當(dāng)下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)，定時(shí)器1停止計(jì)時(shí)進(jìn)入外部中斷，同理再發(fā)射一次超聲波信號(hào)，利用定時(shí)器0的時(shí)間記錄得到兩次物體與發(fā)射探頭的距離進(jìn)而求出物體運(yùn)動(dòng)速度，而利用定時(shí)器1的時(shí)間記錄則可以得出回波信號(hào)的頻率，進(jìn)而利用多普勒原理求出物體速度。超聲波雷達(dá)測(cè)速的主程序流程圖如圖12所示，超聲波測(cè)速源程序見(jiàn)附錄1。測(cè)速系統(tǒng)程序由按鍵s1控制單片機(jī)發(fā)送方波，方波的發(fā)射是靠單片機(jī)產(chǎn)生方波，周期的控制由高低電平時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生40KHZ的方波，所以控制方波的周期為25us。由于要進(jìn)行多普勒測(cè)速所以理論上至少要發(fā)射兩個(gè)周期以上才能利用定時(shí)器捕捉回波信號(hào)的周期，以此來(lái)得出回波信號(hào)與所發(fā)40KHZ之間的頻差來(lái)得到物體運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)高電平產(chǎn)生并發(fā)送出去后定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)。發(fā)出的的超聲波在碰到運(yùn)動(dòng)物體反射回來(lái)進(jìn)入超聲波接收電路后，其中CX20106a在沒(méi)有高電平到時(shí)，其輸出為高電平，當(dāng)有信號(hào)到時(shí)其跳變?yōu)榈碗娖健?，?dāng)收到第一個(gè)高電平時(shí)，存儲(chǔ)T0的數(shù)據(jù)為num1，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1，T1定時(shí)停止，并存儲(chǔ)T1數(shù)據(jù)為num2。等接受完畢后接著再發(fā)射一次，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0，當(dāng)收到回波后停止，