【文章內(nèi)容簡介】 D顯示。 圖 23 超聲波測距儀原理 框圖 Fig 23 Block diagram of ultrasonic range finder 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 在前一章介紹的數(shù)字錄音原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的情況和需要，從系統(tǒng)的任務(wù)和要求入手，開始對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì) 按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用 Atmel公司的 AT89s52 系列單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程超聲波發(fā)射器 放大電路 超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時(shí)器 單片機(jī)控制 顯示器 8 設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路 由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，電路簡單。 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 、 超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路 四 部分。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率， 從而 減小測量誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號， 端口 監(jiān)測 超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的 3 位共陽 LED 數(shù)碼管， 段碼輸出端口為單片機(jī)的 P0 口 ， 位碼輸出端口分別為單片機(jī)的、 、 口 ,數(shù)碼管 位 驅(qū)運(yùn) 用 PNP 三極管 8850 三極管 驅(qū)動(dòng)。 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(jī) 輸入一個(gè)低電平方波。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器 T0 計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測到 由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅⒓赐Ｖ箖?nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。單片機(jī)將測得的時(shí)間與聲速相乘再除以 2 即可得到測量值，最后經(jīng) 3位數(shù)碼管將測得的結(jié)果顯示出來。 發(fā)射傳感器觸發(fā) 由于傳感器的中心頻率是 40KHZ，本系統(tǒng)采用的是高精度的 12MHZ 晶振，方波的周期為 1/40ms，即 25181。s，半周期為 。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電 平取反，便可產(chǎn)生 40kHz 方波。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為 12M 晶振，因而單片機(jī)的時(shí)間分辨率是 1181。s，所以只能產(chǎn)生半周期為 12181。s 或 13181。s 的方波信號，頻率分別為 和 。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約 的方波 信號來觸發(fā)超聲波發(fā)射傳感器。 發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng) 超聲波發(fā)送部份為了簡化電路 ,沒加設(shè)置專門的超聲波驅(qū)動(dòng)電路 ,而是用單片機(jī)的 引腳輸出端加了一個(gè)上拉電阻后，從而增加驅(qū)動(dòng)電流，就直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送頭。理論上，驅(qū)電電壓只有 5 伏。 超聲波的衰 減 超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： 9 （ 1）擴(kuò)散衰減 :超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （ 2）散射衰減 :當(dāng)聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成 的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋? （ 3）粘滯衰減 :聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。 超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來表示。這種方法僅能粗略地比 較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來表示聲波的衰減。 接收信號處理 由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要對其進(jìn)行放大。接收到的信號加到 BG1三極管、 BG2三極管組成的兩級放大器上進(jìn)行放大。每級放大器的進(jìn)行放大。放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，即把多個(gè)方波波解調(diào)成多個(gè)大方波波。這里使用的 是 I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示 顯示電路采用簡單實(shí)用的 3 位共陽 LED 數(shù)碼管， 段碼輸出端口為單片機(jī)的P0 口 ， 位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 、 口 ,數(shù)碼管 位 驅(qū)運(yùn) 用 PNP三極管 8850 三極管 驅(qū)動(dòng)。 軟件編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，并且軟件消影。 所用主要元器件簡介 AT89s52 單片機(jī) 主要性能 10 （ 1） 與 MCS51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 （ 2） 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器 （ 3） 1000次擦寫周期 （ 4） 全靜態(tài)操作 ： 0Hz～ 33Hz （ 5） 32個(gè)可編程 I/O口線 （ 6） 三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 （ 7） 八個(gè)中斷源 （ 8） 全雙工 UART串行通道 （ 9） l 低功耗空閑和掉電模式 （ 10） 掉電后中斷可喚醒 （ 11） 看門狗定時(shí)器 圖 31 AT89S52管腳圖 Fig31 AT89S52 Pin map 功能特性描述 AT89S52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，使得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 11 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。 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) Fig32 Smallest singlechip system 超聲波測距單片機(jī)系統(tǒng)主要由： AT89S52 單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng) 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)數(shù)碼管由 7 個(gè)發(fā)光二極管組成 ,行成一個(gè)日字形 ,它門可以共陰極 ,也可以共陽極，通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字 ,這就是它的工作原理。基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由 7 個(gè)條狀的發(fā)光二極管 12 （ LED）按圖 1 所示排列而成的，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字 0～ 9及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點(diǎn)，增加了 1 個(gè)點(diǎn)狀 的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由 8 個(gè) LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為 a， b， c， d， e， f， g， dp。數(shù)碼管按各發(fā)光二極管電極的連接方式分為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種。 共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極 (COM)的數(shù)碼管。共陰 數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到地線 GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管內(nèi)部連接如圖 3 所示。 共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極 COM 接到 +5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰 極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陽數(shù)碼管內(nèi)部連接如下圖： 圖 33 數(shù)碼管 Fig33 Digital 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 （ 1） 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)顯示筆劃“ a, b, c, d, e, f, g, dp“的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同 13 的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有 閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 （ 2）靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要 58＝ 40 根 I/O 端口來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè) 89S52單片機(jī)可用的 I/O 端口才 32 ，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 數(shù)碼管的 8段 ，對應(yīng)一個(gè)字節(jié)的 8位， a對應(yīng)最低位， dp對應(yīng)最高位。所以如果想讓數(shù)碼管顯示數(shù)字 0，那么共陰數(shù)碼管的字符編碼為 00111111，即 0x3f；共陽數(shù)碼管的字符編碼為 11000000，即 0xc0?？梢钥闯?共陽，共陰數(shù)碼管 兩個(gè)編碼的各位正好相反。 14 圖 34 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路 Fig34 Digital driver display circuit 為此本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，并且軟件消影。每 一位數(shù)碼管顯示了它前一位要顯示的字符和它本身要顯示的字符的重疊效果。要想避免 “拖影 ”就必須在每位數(shù)碼 管顯示完后將其關(guān)閉，我們可以加入 “P0 = 0xff?！保@樣 各 位數(shù)碼管都不會(huì)選中，然后下一位再顯示時(shí)就不會(huì)有影響了，這就是所謂 的消 “影 ”。 74HC573 15 圖 35 74HC573管腳圖 Fig35 74H573pin map 高性能硅門 CMOS 器件 SL74HC573 跟 LS/AL573 的管腳一樣。 器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和 LS/ALSTTL 輸出兼容。 當(dāng)鎖存使能端 LE 為高時(shí)，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同 步）。當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存 。 圖中 1D到 8D 為數(shù)據(jù)輸入端， 1Q 到 8Q 為數(shù)據(jù)輸出端。 LE 為所存控制端。 HCSR04 超聲波測距模塊 采用 IO口 TRIG觸發(fā)測距，給至少 10us的高電平信號；模塊自動(dòng)發(fā)送 8個(gè) 40khz的周期電頻，自動(dòng)檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 IO口 ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。 測 試 距 離 = （ 高 電 平 * 聲速（ 340M/S)/2. 圖 36 模塊實(shí)物圖 Fig36 Module physical map 16 圖 37 超聲波時(shí)序圖 Fig37 Ultrasound timing diagram 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語 言混合編程。